Quando os engenheiros enfrentam o desafio de projetar equipamentos elétricos para realizar tarefas mecânicas, eles podem pensar em como os sinais elétricos são convertidos em energia. Portanto, atuadores e motores estão entre os dispositivos que convertem sinais elétricos em movimento. Os motores trocam energia elétrica por energia mecânica.

O tipo mais simples de motor é o motor DC com escovas. Neste tipo de motor, a corrente elétrica passa por bobinas dispostas dentro de um campo magnético fixo. A corrente gera campos magnéticos nas bobinas; isso faz com que o conjunto da bobina gire, à medida que cada bobina é empurrada para longe do pólo semelhante e puxada em direção ao pólo diferente do campo fixo. Para manter a rotação, é necessário inverter continuamente a corrente – de modo que as polaridades das bobinas invertam continuamente, fazendo com que as bobinas continuem a “perseguir” os pólos fixos diferentes. A energia para as bobinas é fornecida através de escovas condutoras fixas que fazem contato com um comutador giratório; é a rotação do comutador que provoca a reversão da corrente através das bobinas. O comutador e as escovas são os principais componentes que distinguem o motor CC com escovas de outros tipos de motor. A Figura 1 ilustra o princípio geral do motor escovado.

Figura 1: Operação do Motor DC Escovado.

As escovas fixas fornecem energia elétrica ao comutador rotativo. À medida que o comutador gira, ele inverte continuamente a direção da corrente nas bobinas, invertendo as polaridades das bobinas para que as bobinas mantenham a rotação para a direita. O comutador gira porque está preso ao rotor no qual as bobinas estão montadas.

Como o nome indica, os motores DC sem escovas não usam escovas. Com motores escovados, as escovas fornecem corrente através do comutador para as bobinas do rotor. Então, como um motor sem escova passa corrente para as bobinas do rotor? Isso não acontece - porque as bobinas não estão localizadas no rotor. Em vez disso, o rotor é um ímã permanente; as bobinas não giram, mas são fixadas no estator. Como as bobinas não se movem, não há necessidade de escovas e comutador. (Veja a Figura. 3.)

Com o motor escovado, a rotação é conseguida controlando os campos magnéticos gerados pelas bobinas do rotor, enquanto o campo magnético gerado pelos ímãs estacionários permanece fixo. Para alterar a velocidade de rotação, você altera a tensão das bobinas. Com um motor BLDC, é o ímã permanente que gira; a rotação é obtida alterando a direção dos campos magnéticos gerados pelas bobinas estacionárias circundantes. Para controlar a rotação, você ajusta a magnitude e a direção da corrente nessas bobinas.

Como o rotor é um ímã permanente, não necessita de corrente, eliminando a necessidade de escovas e comutador. A corrente para as bobinas fixas é controlada externamente.

Um motor BLDC com três bobinas no estator terá seis fios elétricos (dois para cada bobina) estendendo-se a partir dessas bobinas. Na maioria das implementações, três desses fios serão conectados internamente, com os três fios restantes estendendo-se do corpo do motor (em contraste com os dois fios que se estendem do motor escovado descrito anteriormente). A fiação na caixa do motor BLDC é mais complicada do que simplesmente conectar os terminais positivo e negativo da célula de potência; veremos mais de perto como esses motores funcionam na segunda sessão desta série. A seguir, concluímos examinando as vantagens dos motores BLDC.

Uma grande vantagem é a eficiência, pois esses motores podem controlar continuamente a força rotacional (torque) máxima. Os motores escovados, por outro lado, atingem o torque máximo apenas em determinados pontos da rotação. Para que um motor com escova forneça o mesmo torque que um modelo sem escova, seria necessário usar ímãs maiores. É por isso que mesmo pequenos motores BLDC podem fornecer uma potência considerável.

A segunda grande vantagem – relacionada à primeira – é a controlabilidade. Os motores BLDC podem ser controlados, usando mecanismos de feedback, para fornecer com precisão o torque e a velocidade de rotação desejados. O controle preciso, por sua vez, reduz o consumo de energia e a geração de calor e, nos casos em que os motores são alimentados por bateria, prolonga a vida útil da bateria.

Os motores BLDC também oferecem alta durabilidade e baixa geração de ruído elétrico, graças à ausência de escovas. Com motores escovados, as escovas e o comutador desgastam-se como resultado do contato em movimento contínuo e também produzem faíscas onde o contato é feito. O ruído eléctrico, em particular, é o resultado das fortes faíscas que tendem a ocorrer nas áreas onde as escovas passam sobre as aberturas do comutador. É por isso que os motores BLDC são frequentemente considerados preferíveis em aplicações onde é importante evitar ruído elétrico.

Vimos que os motores BLDC oferecem alta eficiência e controlabilidade, além de terem uma longa vida útil. Então, para que eles servem? Devido à sua eficiência e longevidade, são amplamente utilizados em dispositivos que funcionam continuamente. Eles são usados ​​há muito tempo em máquinas de lavar, aparelhos de ar condicionado e outros produtos eletrônicos de consumo; e mais recentemente estão surgindo em ventiladores, onde a sua elevada eficiência tem contribuído para uma redução significativa no consumo de energia.

Eles também estão sendo usados ​​para acionar máquinas de vácuo. Em um caso, uma mudança no programa de controle resultou em um grande salto na velocidade de rotação – um exemplo da controlabilidade superlativa oferecida por esses motores.

Os motores BLDC também estão sendo usados ​​para girar unidades de disco rígido, onde sua durabilidade mantém as unidades operando de forma confiável no longo prazo, enquanto sua eficiência energética contribui para a redução de energia em uma área onde isso está se tornando cada vez mais importante.

Podemos esperar ver motores BLDC usados ​​em uma gama mais ampla de aplicações no futuro. Por exemplo, provavelmente serão amplamente utilizados para conduzir robôs de serviço – pequenos robôs que prestam serviços em outras áreas além da manufatura. Pode-se pensar que motores de passo seriam mais adequados neste tipo de aplicação, onde pulsos poderiam ser usados ​​para controlar com precisão o posicionamento. Mas os motores BLDC são mais adequados para controlar a força. E com um motor de passo, manter a posição de uma estrutura como o braço de um robô exigiria uma corrente relativamente grande e contínua. Com um motor BLDC, tudo o que seria necessário é uma corrente proporcional à força externa – permitindo um controle com maior eficiência energética. Os motores BLDC também podem substituir motores CC simples com escovas em carrinhos de golfe e carrinhos de mobilidade. Além de sua melhor eficiência, os motores BLDC também podem fornecer controle mais preciso – o que, por sua vez, pode prolongar ainda mais a vida útil da bateria.

Os motores BLDC também são ideais para drones. Sua capacidade de fornecer controle preciso os torna especialmente adequados para drones multirotores, onde a atitude do drone é controlada pelo controle preciso da velocidade de rotação de cada rotor.

Nesta sessão, vimos como os motores BLDC oferecem excelente eficiência, controlabilidade e longevidade. Mas um controle cuidadoso e adequado é essencial para aproveitar ao máximo o potencial desses motores. Em nossa próxima sessão, veremos como esses motores funcionam.