Tipos de motores de passo e seu funcionamento

Um motor de passo é formado por um estator que possui ranhuras com duas ou mais bobinas individuais e um rotor sem enrolamentos. Dependendo do tipo de rotor, os motores de passo podem ser classificados como motores de íman permanente, de relutância variável ou híbridos [80].

Motor de íman permanente

O rotor deste tipo de motor é cilíndrico e formado por um íman permanente. O estator é, normalmente, formado por dois enrolamentos pelos quais se faz a alimentação do motor. Desta forma, tem-se um campo magnético sempre presente no rotor e, quando se alimenta as bobinas do estator, forma-se outro campo magnético, que interage com o campo magnético do rotor. Dependendo da polaridade do campo magnético gerado no enrolamento e do campo magnético do rotor, é criada uma força de atracção ou repulsão [81].

Na Figura 3-23, está representado um motor de passo a efectuar uma volta. Como se verifica, o estator é formado por dois enrolamentos e o rotor possui dois pólos magnéticos. Aplicando ao enrolamento 1, uma corrente com o sentido descrito na Figura 3-23a, surge, no pólo superior do estator, um pólo sul e, consequentemente, um pólo norte no inferior. Isto faz com que o rotor se alinhe conforme a mesma figura.

O próximo passo do motor é conseguido, removendo a corrente do enrolamento 1 e aplicando-a ao enrolamento 2, no sentido descrito na Figura 3-23b. Surge então um campo magnético que aponta para o pólo do estator, à esquerda, fazendo o rotor girar no sentido anti-horário, de forma a que o seu pólo sul fique apontado para o pólo norte do estator.

O processo continua, removendo desta vez a corrente do enrolamento 2 e aplicando-a novamente ao enrolamento 1, mas agora com sentido contrário, como se vê na Figura 3-23c. Surge, portanto, um campo magnético que faz com que o rotor gire novamente no sentido anti-horário, para que o seu pólo sul fique apontado para o pólo norte do estator.

Em seguida, conforme a Figura 3-23d, remove-se a corrente do enrolamento 1 e aplica-se novamente ao enrolamento 2, o que resulta num novo passo do rotor ainda para a direita.

O último passo do motor é efectuado depois de remover a corrente do enrolamento 2 e aplicá-la ao enrolamento 1, regressando assim o rotor à posição inicial apresentada na Figura 3-23a [82].

Figura 3-23: Sequência de funcionamento de um motor de passo de íman permanente [82]

A construção do íman permanente do rotor de um motor de passo é consideravelmente diferente da apresentada na Figura 3-23. É desejável aumentar o número de pólos do rotor de forma a produzir um ângulo de passo menor [83].

Figura 3-24: Motor de passo de íman permanente de 2 enrolamentos e 24 pólos [83]

Uma característica destes motores é a capacidade de manter o holding torque indefinidamente, quando o rotor está parado. Quando nenhum sinal é aplicado aos enrolamentos, uma pequena força é estabelecida entre o rotor e o estator, é o chamado binário residual ou detent torque [84].

Os motores de ímanes permanentes requerem menos potência que os outros motores de passo, para obter o mesmo binário; possuem uma construção mecânica simples, excepto quando se pretendem passos pequenos; apresentam um baixo custo, mas têm velocidades elevadas limitadas [85].

Motor de relutância variável

Neste tipo de motor de passo, o rotor tem o aspecto de uma roda dentada (Figura 3-25), com os dentes em ferro macio [78]. O facto de tanto o rotor como o estator serem estruturas de pólos salientes; de só existirem enrolamentos no estator; de o rotor, para além de não possuir enrolamentos também não ser formado por ímanes permanentes; de não serem necessárias escovas nem um colector, faz destes tipos de motores os possuidores da estrutura electromagnética mais simples de entre as máquinas eléctricas [79].

Figura 3-25: Esquema de um motor de passo de relutância variável [83]

Os dentes do rotor e do estator são feitos de forma a que exista uma variação de relutância que é mínima, quando se encontram alinhados, sendo este o ponto de equilíbrio. Assim, através da alimentação de cada uma das fases, o rotor movimenta-se de forma a reduzir o entreferro entre as partes, variando a relutância. O número de pólos do estator tem que ser sempre superior aos do rotor, pois se assim não fosse, o arranque seria impossível sempre que os pólos do estator e do rotor estivessem alinhados [79].

Figura 3-26: Sequência de funcionamento de um motor de passo de relutância variável [83]

Na Figura 3-26, os enrolamentos do estator são alimentados com corrente contínua. Alimentando a fase φ1, os pólos magnéticos do estator A e A‟ exercem atracção sobre os pólos do rotor 1 e 4, respectivamente, deslocando-se o rotor até ao seu

D e D‟ passam a exercer atracção magnética sobre os pólos do rotor 3 e 6, continuando o movimento do rotor até que se verifique um novo alinhamento dos pólos. Segue-se nova comutação da alimentação, desta vez para a fase φ3, passando a atracção magnética a verificar-se entre os pólos C e C‟ do estator e 2 e 5 do rotor. Mais uma vez, é comutada a alimentação, de tal modo que a atracção magnética passa a dar-se entre os pólos do B e B„ do estator e os pólos do rotor 1 e 4. Obtém-se, assim, um movimento contínuo do rotor no sentido anti-horário [79].

Como o rotor não possui magnetização própria, a alteração do sentido da corrente nas bobinas não altera o sentido de rotação do motor. Assim, a posição relativa dos pólos do rotor em relação ao enrolamento alimentado do estator e a sequência de alimentação dos seus enrolamentos possibilitam a mudança do sentido de rotação [79].

Os motores de passo de relutância variável possibilitam velocidades elevadas e passos pequenos. Por outro lado, não possuem binário residual, a sua construção é mais complexa que a dos motores de íman permanente e possuem uma razão binário/tamanho inferior à dos outros tipos de motores [85].

Motor híbrido

O motor híbrido combina características do motor de passo de relutância variável e do motor de passo de íman permanente, de forma a produzir ângulos de passo menores [83].

O seu estator é idêntico ao do motor de passo de íman permanente, possuindo normalmente duas bobinas enroladas em pólos alternados. O rotor é cilíndrico, formado por duas secções com muitos dentes, como o de relutância variável, e magnetizado, como o de ímanes permanentes (Figura 3-27) [58].

Figura 3-27: Motor de passo híbrido [83]

A Figura 3-28 mostra um motor onde os 48 dentes de cada secção do rotor estão desfasados uns dos outros. Os dentes nos 8 pólos do estator correspondem aos 48 dentes do rotor, com excepção dos dentes que faltam no espaço entre os pólos. Desta forma,

Como os dentes do pólo sul estão desfasados dos dentes do pólo norte pela metade de um dente (Figura 3-28), o rotor pode alinhar com o estator em 96 posições distintas. Os pólos do estator estão divididos em duas fases, φ1 e φ2, que, como se pode ver na Figura 3-28, estão desfasadas uma da outra por ¼ de dente. Isto leva a que o rotor se desloque com passos de ¼ de dente, quando se alimentam alternadamente as fases. O desfasamento entre os pólos, em conjunto com o sentido da corrente, definem o sentido de rotação do motor [83].

Figura 3-28: Esquemático de um motor de passo híbrido [83]

Ainda na Figura 3-28, verifica-se que, no topo do rotor de ímanes permanentes, se encontra o pólo sul e, na base, o pólo norte. Alimentando a fase φ1 do estator de forma a ter o pólo norte no topo e o pólo sul na base, obtêm-se os dentes do pólo norte do estator alinhados, no topo, com os dentes do pólo sul do rotor, e os dentes do pólo sul do estator alinhados, na base, com os dentes do pólo norte do rotor. É com esta fase alimentada e φ2 desligada que se inicia o movimento do motor apresentado na Figura 3-29a [83].

Figura 3-29: Sequência de funcionamento de um motor de passo híbrido [83]

Na Figura 3-29b, φ1 encontra-se desligada e φ2 alimentada, o que resulta numa deslocação do rotor de ¼ de dente, para que o pólo sul do rotor fique alinhado com o pólo norte do estator (φ2) e o pólo norte do rotor com o pólo sul do estator (φ2‟). Na Figura 3-29c, φ1 é novamente alimentada, mas agora reversamente e φ2 é desligada. Desta forma, o rotor desloca-se mais ¼ de dente para que o pólo sul do rotor fique

alinhado com o pólo norte o estator (φ1‟) e o pólo norte do rotor com o pólo sul do estator (φ1). Até este momento, o rotor moveu-se ½ dente. Com φ1 desligada e φ2 alimentada reversamente, o rotor deslocar-se-ia mais ¼ de dente resultando, por isso, em ¾ de dente. Para completar uma volta, alimentar-se-ia novamente φ1 e desligar-se-ia φ2 [83].

3.3.2 Características

Os motores de passo devem ser analisados tendo em conta a tensão e a corrente nominais, o ângulo de passo, a velocidade de rotação, o binário de retenção e binário dinâmico.

Tensão e corrente nominais

A tensão e corrente nominais são os valores da tensão (em V) e da corrente (em A) que o motor pode suportar sem que ponha em perigo a sua conservação. Os seus valores são geralmente fornecidos pelo fabricante do motor. Com recurso a estes valores, é possível calcular a resistência do enrolamento e a potência eléctrica [77].

Ângulo de passo

O ângulo de passo é o deslocamento angular (em º) correspondente a um passo, pelo que os movimentos do rotor serão efectuados em múltiplos do ângulo de passo [57]. Os valores mais usuais para o ângulo de passo dos motores são 0.72, 1.8, 2.0, 2.5, 5.0, 7.5 e 15 [87].

Velocidade de rotação

A velocidade de rotação de um motor de passo é proporcional à frequência com que se aplicam impulsos aos enrolamentos do estator. Comparados com outros modelos de motores, a velocidade de rotação dos motores de passo é bastante reduzida [77].

Binário de retenção

O binário de retenção, também conhecido por holding torque (em Nm), é o binário necessário para mover o rotor de um passo, quando este se encontra parado, estando os enrolamentos alimentados [57].

Binário dinâmico

Para este binário normalmente são definidas duas curvas que são obtidas através de um gráfico que representa o binário x velocidade. A curva de binário pull in indica

qual o binário que é possível fornecer à carga sem que o motor sofra a perda de qualquer passo. A curva de binário pull out indica o binário que é possível fornecer à carga, quando o motor é acelerado lentamente até à velocidade de funcionamento desejada [57].