Entendendo Enrolamentos de Motor: Diferenças-Chave e Aplicações Industriais

Enrolamentos de motor podem assumir muitas formas. No entanto, enrolamentos distribuídos trifásicos são os mais comumente usados em motores CA para aplicações industriais, que será o foco deste artigo. A discussão a seguir é igualmente aplicável ao uso deste tipo de enrolamento em motores de indução ou em motores síncronos de ímã permanente.

O objetivo do enrolamento distribuído é produzir uma distribuição senoidal de Força Magnetomotriz (FMM) no entreferro do motor. Esta FMM é produzida quando um conjunto balanceado de correntes CA trifásicas flui nos enrolamentos de fase. É a FMM, combinada com o projeto do circuito magnético do motor, que dá origem a uma onda viajante de fluxo no entreferro para produzir o torque de motor requerido.

Enrolamentos são compostos por várias bobinas enroladas com fio de cobre isolado ou, em alguns casos, alumínio. Vários fios podem ser conectados em paralelo para formar um único condutor que é então enrolado em uma bobina que terá várias espiras. O número de espiras dependerá de requisitos específicos de projeto.

Um enrolamento distribuído consiste em várias bobinas inseridas nos slots do estator do motor, como mostrado abaixo. O número de bobinas dependerá do número de slots do estator, do número de fases (no nosso caso 3) e do número de polos do motor, p.

Cada bobina abrangerá vários slots. Um enrolamento de passo completo terá bobinas cujo vão médio corresponde a um número de slots igual ao passo polar ou 360°/p, enquanto um enrolamento de passo curto abrangerá menos slots. A figura abaixo mostra um enrolamento de passo completo para um motor típico de 4 polos.

Um estator de motor de 4 polos com enrolamento distribuído trifásico

Uma parte do enrolamento estará no slot onde contribui para a produção de torque do motor. O restante estará nos enrolamentos de extremidade que não contribuem para a produção de torque. Projeto cuidadoso é portanto necessário para evitar desperdício desnecessário de cobre caro. Além disso, bom desempenho térmico impulsiona a necessidade de alto fator de enchimento de slot e gerenciamento térmico de enrolamentos de extremidade. Estes fatores são frequentemente limitados por considerações de processo de fabricação. Um enrolamento distribuído ideal teria um número infinito de bobinas colocadas em um número infinito de slots de modo que a distribuição espacial da FMM seja um senoide perfeito. Isso claramente não é possível na prática, então um melhor compromisso precisa ser encontrado para atender ao desempenho requerido.

Bobinas de fases diferentes precisam ser isoladas umas das outras e do núcleo do estator para evitar curtos-circuitos e falhas. O isolamento constitui barreiras térmicas adicionais que limitarão a capacidade de transferir calor do interior da máquina para o exterior. Vazios de ar estarão presentes entre fios do enrolamento e entre o isolamento, enrolamento e núcleo do estator. Estes vazios são preenchidos com resina usando um processo de impregnação que melhora a transferência de calor e melhora ainda mais o isolamento do enrolamento.

Aplicações de motores elétricos são muitas e variadas. Diferentes aplicações impõem diferentes requisitos no projeto do motor. Vários destes requisitos serão impactados pelo projeto do enrolamento e podem incluir:

• Minimização de perdas harmônicas para eficiência melhorada
• Redução de pulsos de torque
• Redução de ruído acústico e vibrações

Vários layouts de enrolamento são possíveis para alcançar o mesmo desempenho elétrico. A escolha destes layouts será determinada por restrições de fabricação que são fortemente influenciadas pelo nível de automação usado para produzir o enrolamento.

A tabela abaixo dá algumas das configurações de enrolamento mais comuns junto com os principais critérios de seleção.

Fica claro que fortes compromissos precisam ser feitos entre requisito técnico, complexidade de processo, nível de automação e custo. Isso significa que projetistas de motores precisam trabalhar próximo à engenharia de fabricação para definir a melhor solução global.