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

Muitas vezes, a folha de dados 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 como um parâmetro esotérico útil apenas para o projetista do motor, sem valor prático na seleção de motores CC.

Mas o coeficiente de transferência de carga (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 tamanho de carcaça ou estrutura. Mesmo em motores CC sem núcleo de 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 o coeficiente de transferência de carga (Km) não leva em consideração as perdas em um dispositivo eletromecânico em todas as circunstâncias, o valor mínimo de Km deve ser maior do que o calculado para compensar essas perdas. Esse método também serve como uma boa verificação da realidade, pois obriga o usuário a calcular tanto a potência de entrada quanto a 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 estrutura suficientemente potente.

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 do motor, a quilometragem mínima será de:

Km = T / (PIN – POUT)0,5

A potência que entra no motor será positiva. O PIN é simplesmente o produto da corrente e da tensão, assumindo que não haja defasagem entre elas.

PIN = VXI

A potência gerada pelo motor será positiva, visto que ele fornece energia mecânica e é simplesmente o produto da velocidade de rotação pelo torque.

POUT = ω XT

Um exemplo de controle de movimento inclui um mecanismo de acionamento tipo pórtico. Ele utiliza um motor CC sem núcleo de 38 mm de diâmetro. Decidiu-se 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, não é aceitável nenhum aumento no tamanho do motor.

O novo ponto de operação será com o dobro da velocidade e o mesmo torque. O tempo de aceleração representa 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/s 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

Leve em consideração 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 valor de Km no pior caso será:

KMWC = 0,88 KT/√(RX 1,12) = 0,832 Km

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

O aquecimento do enrolamento reduzirá ainda mais o Km, visto que a resistividade do cobre aumenta quase 0,4%/°C. 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 temperatura de 100°C. A atenuação de 20% para um aumento de temperatura de 100°C no ímã se aplica a ímãs de ferrite. O ímã de neodímio-boro-ferro apresenta uma atenuação de 11%, e o ímã de samário-cobalto, cerca de 4%.

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

Se, no caso da aplicação do motor, a corrente máxima disponível e o torque máximo de carga forem conhecidos, calcule a menor constante de torque aceitável utilizando...

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 terá um desempenho satisfatório em todos os casos de tolerâncias e restrições de aplicação.

Claramente, escolher um motor ou gerador determinando primeiro o Km mínimo em aplicações com motores sensíveis à potência e geradores com requisitos de eficiência exigentes 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 as tolerâncias do enrolamento.

Devido às tolerâncias de fabricação, aos efeitos térmicos e às perdas internas, deve-se sempre escolher um Km um pouco maior do que o exigido pela aplicação. Uma certa margem de tolerância é necessária, visto que, do ponto de vista prático, não existem infinitas variações de enrolamento disponíveis. Quanto maior o Km, maior a flexibilidade para atender aos requisitos de uma determinada aplicação.

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

Os motores e geradores CC sem núcleo de ferro praticamente não apresentam perdas por histerese e correntes parasitas na versão com escovas. Nas versões sem escovas, essas perdas, embora baixas, existem. Isso ocorre porque o ímã geralmente gira em relação ao núcleo de ferro do circuito magnético, o que induz perdas por correntes parasitas e histerese. No entanto, existem versões CC sem escovas em que o ímã e o núcleo de ferro se movem em uníssono. Nesses casos, as perdas geralmente são baixas.