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Motor monofásico - vantagens da utilização de capacitor na partida sob carga

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Academic year: 2021

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Motor monofásico - vantagens da utilização de

capacitor na partida sob carga

Elson Alves PEREIRA1

Laudo C. MIRANDA2

Resumo: O presente trabalho visa analisar as vantagens da utilização de

capaci-tor na partida de mocapaci-tores monofásicos, demonstrando a maior eficácia do mesmo em detrimento das demais formas construtivas existentes no mercado. Pretende--se usar, como base de estudo, pesquisa bibliográfica sobre o tema, com a fina-lidade de elaborar material didático teórico para ilustrar as diversas formas de arranjos dos sistemas de partida encontrados. Os resultados obtidos através da análise das características de cada sistema apresentarão a exemplificação real de produtos encontrados no mercado consumidor, os quais exigem tal concepção na fabricação. Ao término da análise desse sistema de partida, poderemos oferecer um valioso e aprofundado estudo técnico, que consiste em um diagnóstico consis-tente no dimensionamento correto de diversos equipamentos, visando contribuir para uma melhor eficácia, e um aumento da vida útil e da durabilidade de motores elétricos monofásicos instalados em máquinas e dispositivos mecânicos afins.

Palavras-chave: Motores Monofásicos com Capacitor. Partida de Motor

Mono-fásico. Partida Capacitiva em Motores.

1 Elson Alves Pereira. Graduando em Engenharia Elétrica pelo Claretiano – Faculdade.

E-mail: <recomaq@msn.com>.

2Laudo C. Miranda. Mestre em Engenharia de Produção pela Universidade Federal de Santa Catarina

(UFSC). Bacharel em Engenharia Elétrica pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Docente do Claretiano - Faculdade. E-mail: <laudo.miranda@gmail.com>.

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1. INTRODUÇÃO

Para produzirem torque mecânico, todos os motores elétricos necessitam de uma interação de dois campos magnéticos montados alternadamente sob a forma de grupos dispostos com fios enrola-dos em forma de bobinas. Nos arranjos mais comuns, esses campos magnéticos são produzidos por diversos conjuntos de enrolamentos de fios de cobre e de alumínio, ambos induzidos pelas correntes su-pridas por uma fonte elétrica. Um dos conjuntos de enrolamentos localiza-se no estator, que é a parte fixa da máquina, estando o ou-tro situado na parte giratória (rotativa), denominada normalmente como rotor ou induzido. Assim, “[...] o rotor ou induzido é o ele-mento girante do motor; consiste de três partes principais: núcleo, bobinamento e eixo” (MUNOZ, 1987, p. 63).

Em motores de corrente alternada, denominados C.A., exis-tem dois tipos básicos de motores. Temos motores denominados síncronos e assíncronos. Motores assíncronos, objeto de nosso estu-do, podem ser de indução ou de repulsão, nos quais observamos que os bobinados do estator estão distribuídos em ranhuras na parte in-terna da carcaça do mesmo, que é a parte fixa. Esses enrolamentos são alimentados pela rede de energia elétrica. O campo magnético produzido por eles induz uma corrente no enrolamento do rotor (parte rotativa da máquina). A intensidade da corrente elétrica ge-rada percorre os bobinados do rotor induzido, criando um fluxo de campo magnético, que vai realizar a interação com o campo mag-nético induzido pelo bobinado localizado no estator. Tal processo acarreta o torque mecânico no eixo, o qual é necessário para o fun-cionamento do motor.

Os motores denominados de indução de fase auxiliar são mo-tores monofásicos em que observamos a utilização de um rotor cha-mado de “gaiola de esquilo”, o qual apresenta barras internas em curto nas extremidades. Internamente, o núcleo do estator (parte fixa do motor), que recebe os enrolamentos dos bobinados, é cons-truído por lâminas de aço silício montadas e isoladas uma a uma. Ele tem seus dois enrolamentos confeccionados em suas ranhuras tam-bém isoladas eletricamente: um bobinado principal para o funcio-namento em regime normal de uso, e outro, chamado de auxiliar,

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usado momentaneamente para a partida do motor. Os bobinados ou enrolamentos do motor localizados no estator (designados como principal e auxiliar) são ligados em paralelo e recebem alimentação de uma fase ou de duas fases da rede elétrica, para a partida do mo-tor. Assim que o motor atinge o seu regime de velocidade nominal, o bobinado auxiliar de partida deverá ser desligado. Podemos obtê--lo automaticamente por uma chave mecânica rotativa ou centrífu-ga, que corta a ligação do circuito do enrolamento auxiliar quan-do atingirmos cerca de 80% da rotação normal de funcionamento. Uma outra solução adotada é o emprego de um relé elétrico, cuja bobina de atuação deverá ser devidamente ligada em série com o enrolamento principal do motor, na sua parte fixa que é o estator, ou de regime de funcionamento. Quando obtemos uma drástica redu-ção da corrente nesse enrolamento, pelo fato do motor já estar mui-to próximo à velocidade nominal de uso, há o desarme do relé, cujo contato elétrico, ao abrir, interrompe o circuito do bobinado esta-tórico auxiliar. Normalmente, o enrolamento do circuito auxiliar é confeccionado por fios isolados (de cobre ou de alumínio) de bitola menor que o da bobina principal. Por esse motivo, é projetado para ser percorrido por uma intensidade de corrente intensa, visando um aumento do torque na partida do induzido, mas por pouco tempo. Caso não ocorra o seu desacoplamento, ou seja, se continuar sendo alimentado por um tempo maior do que o dimensionado, poderá superaquecer perigosamente, ocasionando a sua queima.

Como todos os motores de indução de corrente alternada, aquele conhecido como de fase auxiliar tem semelhanças com os motores denominados de campo em derivação “shunt”, utilizados com corrente contínua (C.C. ou D.C.), isto é, possuem velocidade nominal aproximadamente constante, independentemente das va-riações das condições de carga no eixo do estator.

O motor de indução de polos partidos é utilizado para situa-ções em que são necessárias pequenas potências com alimentação monofásica. Isto se deve a sua relativa simplicidade e à robustez em sua forma de funcionamento. O rotor interno é “gaiola de esquilo”, o qual é produzido por barras longitudinais curto-circuitadas em suas extremidades. O estator apresenta polos salientes, muito pare-cidos com os existentes no motor universal, com a diferença de que

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as bobinas de campo (estatóricas) são alimentadas diretamente pela rede de energia. Cada polo montado divide-se por ranhura aberta nas chapas de aço isoladas, as quais devem ser eletricamente iso-ladas com verniz dielétrico (tem a função de diminuir as correntes parasitas). Paralelamente ao eixo, uma das suas porções, em cada um dos polos, é circundada por um anel de cobre, conhecido como bobina de arrastamento.

Estudaremos, objetivamente, o motor de indução, tipo as-síncrono, de alimentação monofásica com partida capacitiva (tam-bém conhecido como capacitor alimentado por fonte de corrente ou tensão alternada). Em sua construção, ele se parece muito com o motor elétrico de fase auxiliar, mas, para que seja obtido um torque de partida maior com o objetivo de alcançar uma menor corrente na partida, um capacitor do tipo eletrolítico é ligado em série com o enrolamento estatórico auxiliar de partida. Quando o motor atinge a sua rotação normal, um dispositivo mecânico auxiliar instalado no eixo do rotor, normalmente de forma circular, centrífugo com mo-las de pressão, interrompe o circuito do enrolamento auxiliar após atingir, aproximadamente, 80% da velocidade nominal de rotação.

Podemos citar ainda motores elétricos de indução com par-tida auxiliada por capacitor eletrolítico e funcionamento contínuo com capacitor permanente (ou capacitores que apresentam normal-mente dois valores de capacitância), nos quais dois capacitores são empregados (geralmente um é usado na partida, denominado ele-trolítico, e outro que é do tipo permanente ou de regime contínuo, que utiliza apenas uma medida de capacitância). Isso permite que, por meio comutador de interrupção centrífuga auxiliar de partida, uma porção da capacitância total continue ligada ao circuito do en-rolamento auxiliar durante o funcionamento, o que melhora o fator de potência, aproximando-o da unidade de fator de potência (F.P.). Consequentemente, é reduzida a intensidade de corrente elétrica consumida pelo motor em seu regime normal, bem como o aqueci-mento e a temperatura do mesmo.

Para determinados tipos de cargas leves, podemos utilizar um motor de indução com partida capacitiva, que possua apenas um capacitor, chamado de capacitivo permanente e não do tipo

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ele-trolítico. O motor parte e funciona com dois bobinados (auxiliar e principal). O capacitor do tipo permanente é mantido durante todo o regime de funcionamento normal do motor e nenhum dispositivo ou chave de interrupção é necessário. Esse tipo de motor é utilizado quando há a necessidade de conjugado de partida não elevado, sob cargas leves no eixo.

A escolha do tema de nosso estudo surgiu devido à real ne-cessidade de conhecimento mais elaborado e específico em siste-mas de partida de motores elétricos monofásicos e seus diversos tipos. Vários produtos de mercado são acionados por esses tipos de motores, e a falta do dimensionamento correto dos mesmos acar-reta situações de ineficiência, sobrecarga e, por diversas vezes, a queima do elemento motriz.

Em detrimento de um estudo que abordasse tais característi-cas, visamos apresentar e melhor compreender a importância desse sistema de maior eficiência para os seus usos específicos.

Para o pesquisador autor dessa pesquisa, é de primordial im-portância desenvolver esse trabalho acadêmico, pois a sua realiza-ção trará muitos benefícios, tanto para o enriquecimento de sua car-reira profissional, como para a ampliação de seus conhecimentos no dimensionamento técnico correto de motores elétricos monofá-sicos. Possivelmente, os resultados desse estudo serão incorporados ao cotidiano, o que irá melhorar os serviços de vendas, manutenção preditiva e corretiva, na conservação e no prolongamento da vida útil desses motores elétricos.

A partir do problema proposto, o objetivo principal dessa pes-quisa é apresentar um estudo teórico abrangente e relevante acerca de um tipo específico de partida, utilizando-se de “capacitor” em motores elétricos de indução monofásicos. Utilizando-se de fun-damentos da engenharia elétrica, tenciona-se trazer informações claras e objetivas para serem utilizadas com relação a esse tipo de dispositivo e para o seu uso correto, visando o aumento da vida útil desses equipamentos.

A metodologia empregada nesse estudo foi a de pesquisa aplicada, motivada pela necessidade de resolver problemas concre-tamente observados no dia a dia na área de engenharia elétrica. A

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pesquisa bibliográfica foi usada como meio investigativo. Como cita Vergara (2007, p. 45), esse tipo de investigação “[...] tem, por-tanto, finalidade prática, ao contrário da pesquisa pura, motivada basicamente pela curiosidade intelectual do pesquisador e situada, sobretudo, no nível de especulação”. O desenvolvimento teórico se realizou através da pesquisa bibliográfica. As fontes de consul-ta utilizadas foram fontes impressas, como livros técnicos sobre o assunto, nos quais foram verificados os diversos tipos de funciona-mento de motores monofásicos de indução, as suas características de funcionamento, bem como os inúmeros tipos de arranque encontra-dos nesses equipamentos.

2. DESENVOLVIMENTO

Ao contrário dos motores polifásicos, como os trifásicos, por exemplo, os motores de corrente alternada do tipo monofásico apresentam várias concepções para as mais variadas aplicações. Na sua maioria, possuem eixo motriz tipo “gaiola de esquilo”, operan-do em regimes de trabalho diferenciaoperan-dos com relação aos motores polifásicos ou trifásicos, que trabalham somente se alimentados por três fases da rede elétrica.

Esses motores são ligados por apenas dois fios condutores oriundos da rede de energia, sendo fase-neutro (127, 220 ou 254 volts) ou fase-fase (220 volts). Eles operam em vários graus de regimes de trabalho diferentes, normalmente intermitentes, com variações de tensão elétrica em sua alimentação, do fator de car-ga e conjucar-gado solicitado no eixo. E, em sua grande maioria, são empregados em usos definidos ou específicos.

A denominação dada aos motores monofásicos é assim carac-terizada porque seus enrolamentos de campo ou bobinas são eletri-camente conectados a uma fonte elétrica de tensão chamada mono-fásica, composta por dois fios somente, geralmente fabricados para uso em dupla tensão de trabalho.

Em locais onde não há redes trifásicas, em detrimento das distâncias ou devido à utilização de potências não superiores a 3 CV, utilizamos motores do tipo monofásicos, apesar do custo de

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aquisição ser superior ao custo dos motores trifásicos. Sobre isso, Munoz (1987, p. 190), afirma: “[...] em tamanhos fracionários, uti-lizam-se motores monofásicos de indução mais extensamente que os polifásicos, devido à preponderância da corrente monofásica”. Os motores elétricos de indução monofásicos, portanto, são uma al-ternativa mais viável para a instalação em locais onde não há fon-tes de alimentação trifásica, como em algumas regiões agrícolas, pequenas oficinas de reparos, residências, escritórios, entre outros.

Podemos justificar a utilização desses motores apenas para usos em menores potências, isto porque são muito maiores as cor-rentes observadas na utilização em tensões mais baixas. A utiliza-ção de rotor tipo “gaiola de esquilo” nesses motores justifica-se pela sua simplicidade de fabricação, pela sua robustez e pela manu-tenção simplificada.

Esses motores são fabricados de tal forma a utilizarem bo-binados auxiliares para a partida, os quais são posicionados e dimensionados de forma a criar uma fase fictícia e momentânea. Permite-se, assim, a formação de um campo girante necessário para a partida: “[...] há vários métodos de arranque do motor de indução monofásico que visam melhorar o funcionamento. Os mais empregados são por: capacitor, resistor, polo auxiliar ou método de polo com retardamento parcial, etc.” (MUNOZ, 1987, p. 186).

Os motores monofásicos, devido as suas características cons-trutivas, podem ser assim divididos:

• Motor monofásico Split-phase ou fase dividida; • Motor monofásico com capacitor permanente;

• Motor monofásico Shaded-pole ou com polos sombrea-dos;

• Motor monofásico com dois tipos de capacitores, partida eletrolítico e de regime permanente;

• Motor monofásico com capacitor de partida eletrolítico. O motor denominado como de fase dividida possui dois rolamentos bobinados: um principal e um auxiliar. Ambos os en-rolamentos estão defasados em 90° elétricos em seu espaço das

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ranhuras localizadas no estator. Quando atingida uma determinada velocidade de rotação, o enrolamento da bobina auxiliar de partida é desligado de sua alimentação elétrica por uma chave interruptora, geralmente do tipo centrífuga, influenciada pela ação centrífuga da rotação do eixo do motor elétrico.

Em alguns casos específicos, alguns sistemas de partida des-ses motores são caracterizados pelo uso de relés de corrente ou de relés eletrônicos.

Conforme Munoz (1987, p. 201):

Relé. Dispositivo operado pela variação das características de um circuito elétrico, para efetuar a operação de outros dispositivos, no mesmo, ou em outro circuito elétrico. Seus contatos se situam no circuito de controle.

Alguns motores possuem conjugado de partida igual ou ligei-ramente superior que o nominal que foi projetado, limitando a sua aplicação em pequenas potências e em cargas que não solicitam um alto torque ou conjugado na sua partida. Nas palavras de Wilkinson (1982, p. 7),

[...] para produzirem torque, todos os motores requerem a interação de dois campos magnéticos. Nos arranjos mais usuais estes campos são produzidos por dois conjuntos de enrolamentos, ambos percorridos por correntes supridas pela fonte de alimentação.

Motores monofásicos com capacitor do tipo permanente apre-sentam seu bobinado auxiliar de partida e capacitor permanente-mente ligados, sem haver a sua desconexão por atuação de qualquer dispositivo. O efeito do capacitor é o de criar um fluxo capacitivo, que se assemelha ao encontrado em motores polifásicos ou trifási-cos, por exemplo. Com isso, temos um conjugado de partida máxi-mo e uma melhora no fator de potência.

Sobre isso, Torreira (1980, p. 66) afirma que:

[...] existem, no entanto, motores que utilizam o capacitor e o enrolamento de partida permanentemente no circuito, o que elimina o contato centrífugo, torna o motor mais si-lencioso, mas, em contrapartida, faz com que o conjugado do motor seja reduzido.

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Por apresentar características especiais, a sua aplicação de-verá ser devidamente analisada. O torque conjugado de sua partida é relativamente mais baixo ao do motor de fase dividida, pois se apresenta entre 50% a 100% do seu conjugado de partida nominal.

Motores com polos sombreados são também chamados de motor de campo distorcido em razão do seu tipo de partida. É o tipo de motor monofásico mais básico e simples, econômico e factível, sendo que são, geralmente, confeccionados para faixas de pequenas potências não superiores a ¼ CV. Eles apresentam baixo conjugado de partida, variando de 15% a 50% da nominal, um baixo fator de potência e de rendimento elétricos.

Os motores com dois capacitores (de partida e permanente) são motores monofásicos mais robustos, que utilizam as vantagens de partida com capacitor eletrolítico com alto conjugado na parti-da, bem como o funcionamento em regime de trabalho idêntico ao motor que utiliza capacitor permanente, que visa um desempenho superior, o que contribui para a melhoria de seu fator de potência.

Normalmente, pelo seu maior valor agregado, esses motores são fabricados para potências acima de 1 CV, em atividades para as quais são exigidos motores que têm boa performance sob a carga na partida. Sua aplicação principal ocorre em instalações rurais, onde são necessários motores com potências consideráveis, ou onde ocorrem elevadas quedas de tensões em linhas elétricas.

Os motores elétricos de capacitor de partida são os mais po-pulares e de fácil aquisição no segmento comercial:

[...] o motor de indução monofásico com partida a capacitor é quase idêntico em construção ao motor de fase auxiliar, mas para obter um torque de partida maior com menor corrente, um capacitor eletrolítico é usado em série com o enrolamento auxiliar (WILKINSON, 1982, p. 8).

Já que apresenta seu enrolamento construído por um enrola-mento principal de funcionaenrola-mento (fios condutores de maior seção) e outro para impulsionar um torque em seu eixo motriz na partida, para obtermos um maior conjugado de partida do mesmo, temos a inclusão de um capacitor do tipo eletrolítico ligado em série com o enrolamento bobinado auxiliar (fios condutores de menor seção)

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do estator. Após o desligamento do circuito auxiliar, o motor com-porta-se como um motor de fase dividida. Devido ao seu elevado torque na partida (que pode chegar de 300 a 350% do nominal), o motor pode ser utilizado em uma vasta gama de produtos e de apli-cações que necessitam partir sob a carga. É totalmente contraindica-do na utilização em sistemas que necessitem de reversão de rotação instantânea, pois, devido à elevada corrente de partida, poderá in-correr na queima de seus bobinados pelo excesso de temperatura ao intercalar o sentido de giro do eixo motriz.

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Como conclusão desse trabalho, podemos destacar que a engenharia elétrica exerce um papel primordial para o progresso técnico da fabricação, da instalação e da manutenção de motores elétricos.

Na análise efetuada acima, acerca dos sistemas de partida dos diversos tipos dos motores monofásicos projetados e fabricados co-mercialmente, observamos que o uso de capacitores na partida de motores monofásicos é substancialmente melhor na maior parte das aplicações a que se destina.

A utilização de motores monofásicos – como, por exemplo, em bombas, compressores de ar, ventiladores, máquinas agrícolas, eletrodomésticos e em uma infinidade de outras aplicações desses motores – torna o mercado consumidor muitíssimo abrangente. De-paramo-nos, cotidianamente, com a aplicação inadequada do tipo de motor ao tipo de uso por um dimensionamento incorreto ou pela falta de informações técnicas complementares no momento da ins-talação desses dispositivos.

É comum, por exemplo, a aplicação de motores do tipo split--phase, que não utilizam capacitor para a partida em moto bombas d’água. Ocorrem, muitas vezes, problemas de dimensionamento ou de projeto na instalação, podendo ocasionar a queima dos bobina-dos desses motores devido à queda de tensão elétrica excessiva não prevista para a instalação do equipamento. A falta da devida atenção na colocação de válvula de retenção na linha de descarga da bomba

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também é um fator que vai influenciar em uma carga que vai exigir um conjugado de partida elevado. A partida auxiliar poderá não executar a correta partida do motor, ocasionando a queima dos bo-binados auxiliar e principal por elevação de temperatura advinda da corrente excessiva nos mesmos.

As implantações, as pesquisas e as descobertas de novas téc-nicas, bem como a identificação e a solução dos problemas nos motores elétricos monofásicos são as principais atribuições da área de engenharia elétrica.

O engenheiro é submetido, diariamente, a diversas pressões das áreas de fabricação das indústrias para a solução dos problemas imediatos: “meu motor elétrico quebrou e estou perdendo produção! Necessito que seja executada a manutenção rapidamente de minha máquina”. Essa é uma frase muito comum no âmbito industrial.

Normalmente, devido ao cada vez mais intenso e inquietan-te corre-corre diário, deixamos de raciocinar e de prever situações que podem ocorrer em médio e em longo prazos. Porém, certamen-te, se fossem resolvidos, em tempo hábil, os problemas crônicos encontrados, não estaríamos sendo esmagados e atropelados pelos problemas de curto prazo.

A função da engenharia elétrica não é só manter a capacida-de produtiva dos equipamentos e dos motores elétricos, mas, prin-cipalmente, saber detectar e agir em caso de problemas de falhas operacionais. Igualmente, saber propor soluções para a melhoria de performance e de aumento de rendimento dos mecanismos elé-tricos. Em muitos casos, denotamos que é muito mais econômico modernizar e corrigir defeitos, introduzindo melhorias nos motores elétricos monofásicos, do que mantê-los em seu projeto original de fábrica. Devemos ter a consciência de que a engenharia elétrica é um dos elementos impulsores de melhoria na produtividade e no retorno de investimento aplicado dentro do contexto industrial.

Nos últimos anos, muitas mudanças tecnológicas ocorreram na fabricação dos motores elétricos monofásicos. Por isso, torna-se cada vez mais preponderante o gerenciamento orçamentário pelo menor custo e pela maior eficiência. Os fatores qualidade e custo

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monetário exercem grande influência nas decisões quanto à compra e à instalação desses motores.

Assim, é de suma importância ao engenheiro elétrico o conhe-cimento técnico das características de partida, operação, regime de funcionamento e tipos de carga aos quais podem ser submetidos os diversos tipos de motores elétricos monofásicos e as suas principais aplicações.

Esse estudo visa à melhoria contínua dos estudos relaciona-dos a esses motores, objetivando contribuir – com mais uma valiosa ferramenta da engenharia – para a criação, a correção, a manuten-ção e a avaliamanuten-ção de problemas que possam surgir cotidianamente.

REFERÊNCIAS

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KOSOW, I. L. Máquinas elétricas e transformadores. 7. ed. Rio de Janeiro: Globo, 1987.

LINDEBURG, M. R. Fundamentos de engenharia: teoria e prática. v. 3, Rio de Janeiro: LTC, 2013.

MARTIGNONI, A. Máquinas de corrente alternada. 5. ed. Rio de Janeiro: Globo, 1987.

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MUNOZ, N. T. Cálculo de enrolamentos de máquinas elétricas e sistemas de

alarme. 4. ed. Rio de Janeiro: Freitas Bastos, 1987.

RIZZONI, G. Fundamentos de engenharia elétrica. Porto Alegre: Bookman, 2013.

TORREIRA, R. P. Manual básico de motores elétricos. 2. ed. Rio de Janeiro: Antenna, 1980.

VERGARA, S. C. Projetos e relatórios de pesquisa em Administração. 9. ed. São Paulo: ATLAS, 2007.

WILKINSON, K. Como rebobinar pequenos motores elétricos. Rio de Janeiro: Antenna, 1982.

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