A constante do motor auxilia na seleção de motores CC em aplicações de controle de movimento. Motores CC com e sem escovas são uma boa escolha em aplicações sensíveis à potência ou que exigem alta eficiência.

Muitas vezes, a ficha técnica de um motor ou gerador CC inclui a constante do motor Km, que é a sensibilidade ao torque dividida pela raiz quadrada da resistência do enrolamento. A maioria dos projetistas considera essa propriedade intrínseca do motor uma figura de mérito esotérica, útil apenas para o projetista do motor, sem valor prático na seleção de motores CC.

Mas o Km pode ajudar a reduzir o processo iterativo na seleção de um motor CC, pois geralmente é independente do enrolamento em um determinado motor de carcaça ou tamanho de carcaça. Mesmo em motores CC sem ferro, onde o Km depende do enrolamento (devido a variações no fator de preenchimento de cobre), ele continua sendo uma ferramenta sólida no processo de seleção.

Como Km não considera as perdas em um dispositivo eletromecânico em todas as circunstâncias, o Km mínimo deve ser maior do que o calculado para considerar essas perdas. Este método também é um bom teste de realidade, pois força o usuário a calcular a potência de entrada e a potência de saída.

A constante do motor aborda a natureza eletromecânica fundamental de um motor ou gerador. Selecionar um enrolamento adequado é simples após determinar um tamanho de carcaça ou quadro com potência adequada.

A constante do motor Km é definida como:

Km = KT/R0,5

Em uma aplicação de motor CC com disponibilidade de energia limitada e um torque conhecido necessário no eixo do motor, o Km mínimo será definido.

Para uma determinada aplicação de motor o Km mínimo será:

Km = T / (PIN – POUT)0,5

A potência do motor será positiva. O PIN é simplesmente o produto da corrente pela tensão, supondo que não haja defasagem entre elas.

PIN = VXI

A potência do motor será positiva, pois fornece potência mecânica e é simplesmente o produto da velocidade de rotação e do torque.

POUT = ω XT

Um exemplo de controle de movimento inclui um mecanismo de acionamento do tipo pórtico. Ele utiliza um motor CC sem núcleo de 38 mm de diâmetro. A decisão é dobrar a velocidade de rotação sem alterar o amplificador. O ponto de operação atual é de 33,9 mN-m (4,8 oz-in) e 2.000 rpm (209,44 rad/s), e a potência de entrada é de 24 V a 1 A. Além disso, nenhum aumento no tamanho do motor é aceitável.

O novo ponto de operação será com o dobro da velocidade e o mesmo torque. O tempo de aceleração é uma porcentagem insignificante do tempo de movimento, e a velocidade de rotação é o parâmetro crítico.

Calculando o Km mínimo

Km = T / (PIN – POUT)0,5

Km = 33,9 X 10-3 Nm / (24 VX 1A -

418,88 rad/seg X 33,9 X 10-3 Nm) 0,5

Km = 33,9 X 10-3 Nm / (24 W – 14,2 W) 0,5

Km = 10,83 X 10-3 Nm/√W

Considere as tolerâncias da constante de torque e da resistência do enrolamento. Por exemplo, se a constante de torque e a resistência do enrolamento tiverem tolerâncias de ±12%, o pior caso de Km será:

KMWC = 0,88 KT/√(RX 1,12) = 0,832 Km

ou quase 17% abaixo dos valores nominais com enrolamento frio.

O aquecimento do enrolamento reduzirá ainda mais o Km, visto que a resistividade do cobre aumenta quase 0,4%/°C. E para agravar o problema, o campo magnético se atenuará com o aumento da temperatura. Dependendo do material do ímã permanente, essa atenuação pode chegar a 20% para um aumento de 100°C na temperatura. A atenuação de 20% para um aumento de 100°C na temperatura do ímã é válida para ímãs de ferrite. O neodímio-boro-ferro apresenta 11% e o samário-cobalto, cerca de 4%.

Curiosamente, para a mesma potência mecânica de entrada, se a meta for 88% de eficiência, a Km mínima passaria de 1,863 Nm/√W para 2,406 Nm/√W. Isso equivale a ter a mesma resistência do enrolamento, mas uma constante de torque 29% maior. Quanto maior a eficiência desejada, maior a Km necessária.

Se no caso da aplicação do motor a corrente máxima disponível e a pior carga de torque forem conhecidas, calcule a menor constante de torque aceitável usando

KT = T/I

Após encontrar uma família de motores com Km suficiente, selecione um enrolamento que tenha uma constante de torque ligeiramente superior ao mínimo. Em seguida, comece a determinar se o enrolamento, em todos os casos de tolerâncias e restrições de aplicação, terá um desempenho satisfatório.

Claramente, escolher um motor ou gerador definindo primeiro a quilometragem mínima em aplicações com motores sensíveis à potência e geradores com problemas de eficiência pode acelerar o processo de seleção. O próximo passo será selecionar um enrolamento adequado e garantir que todos os parâmetros da aplicação e as limitações do motor/gerador sejam aceitáveis, incluindo considerações sobre a tolerância do enrolamento.

Devido a tolerâncias de fabricação, efeitos térmicos e perdas internas, deve-se sempre escolher um Km um pouco maior do que o exigido pela aplicação. Uma certa margem de manobra é necessária, visto que não há um número infinito de variações de enrolamento disponíveis do ponto de vista prático. Quanto maior o Km, mais tolerante ele é em atender aos requisitos de uma determinada aplicação.

Em geral, eficiências práticas acima de 90% podem ser praticamente impossíveis de obter. Motores e geradores maiores apresentam perdas mecânicas maiores. Isso se deve a perdas nos rolamentos, na deriva e eletromecânicas, como histerese e correntes parasitas. Motores com escovas também apresentam perdas devido ao sistema de comutação mecânica. No caso da comutação por metais preciosos, popular em motores sem núcleo, as perdas podem ser extremamente pequenas, menores que as perdas nos rolamentos.

Motores e geradores CC sem ferro praticamente não apresentam perdas por histerese e correntes parasitas na variante com escovas deste projeto. Nas versões sem escovas, essas perdas, embora baixas, existem. Isso ocorre porque o ímã geralmente gira em relação ao ferro de retorno do circuito magnético. Isso induz perdas por correntes parasitas e histerese. No entanto, existem versões CC sem escovas que possuem o ímã e o ferro de retorno movendo-se em uníssono. Nesses casos, as perdas geralmente são baixas.