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A componente electromecânica de um actuador de RVC distingue-se pela sua simplicidade construtiva. O circuito magnético de um actuador de três fases está esquematicamente representado na Fig. 4.1a). O núcleo magnético do estator possui pólos em torno dos quais estão montadas as bobinas. Cada fase é composta por duas

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125 bobinas, dispostas numa geometria diametralmente oposta. O circuito magnético do rotor também possui dentes sem qualquer tipo de enrolamentos ou magnetos permanentes. O tipo de actuador mais comum é o 6/4, possuindo seis pólos estatóricos e quatro dentes rotóricos. Cada par de bobinas constitui uma fase, logo, existem três fases no actuador representado. Estas bobinas estão instaladas em pólos geometricamente opostos, e electricamente ligadas de maneira a que o fluxo magnético criado seja aditivo. Outras combinações do número de pólos e dentes podem ser utilizadas como se esquematiza na Fig. 4.1 [16]. É aceite que um número de pólos maior pode parecer mais atractivo. No estudo realizado em [17] demonstra-se a influência do número de pólos por fase da máquina, havendo a destacar que, para um número maior de pólos, a área disponível para as bobinas diminui, e com ela a capacidade de dissipação térmica. Com o aumento do número de pólos, também diminui o deslocamento que o rotor se move por cada impulso de corrente, logo, para a mesma velocidade de rotação, a frequência de funcionamento aumenta, levando a maiores perdas no ferro. O número de pólos de um actuador de RVC deve, por isso, ser cuidadosamente escolhido para a aplicação em causa.

Fig. 4.1 – Exemplos de configurações rotativas de actuadores de RVC: a) 6/4, b) 8/6 c) 12/10, d) 24/22

O actuador RVC deve possuir pelo menos três fases, distribuídas num número de pólos apropriado, como requisito para assegurar a capacidade de auto-arranque em qualquer direcção. Quando se usa uma, ou duas fases, esta capacidade não é garantida. Se forem introduzidas as modificações como se representa na Fig. 4.2, o actuador assume um funcionamento unidireccional.

Fig. 4.2 – Actuador de RVC de duas fases com auto-arranque

A Fig. 4.3 esquematiza um actuador rotativo de RVC. Na posição alinhada (Fig. 4.3a)) existe um par de pólos alinhados com o mesmo número de dentes. Nesta

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posição, a fase não desenvolve qualquer binário, já que se encontra na posição de relutância mínima, a que corresponde a máxima indutância do circuito magnético.

Se o rotor for deslocado da posição alinhada, qualquer que seja o sentido, será criado um binário resistente que tenderá a colocar a fase na posição alinhada (Fig. 4.3b)). Para correntes de excitação baixas, a maior percentagem da força magnetomotriz ocorre no entreferro. No entanto, o percurso magnético feito no material ferromagnético absorve uma parte da FMM gerada. Na posição alinhada estão reunidas as condições necessárias à saturação do percurso magnético.

Fig. 4.3 – Actuador de RVC rotativo: a) posição alinhada, b) posição não alinhada

Quando um pólo do estator se encontra alinhado com a posição intermédia entre dois dentes do rotor, a posição é designada por posição não alinhada. Com uma corrente de excitação a circular na fase não é produzido qualquer binário motor. Se o rotor for deslocado, será criado um binário motor que tenderá a afastar o pólo da posição não alinhada no sentido de o alinhar com o dente do rotor mais próximo. A esta posição, considerada instável, corresponde o valor máximo da relutância, ou seja, o valor mínimo da indutância, já que o comprimento do entreferro é máximo, e, por isso, a saturação do circuito magnético não deve ocorrer.

A Fig. 4.4 mostra as curvas de magnetização típicas de um actuador de RVC [18]. Nas posições intermédias, as curvas de magnetização estão colocadas entre as curvas correspondentes à posição alinhada e não alinhada.

Fig. 4.4 – Curvas de magnetização típicas de um actuador de RVC

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127 além das indutâncias máxima e mínima, é também comum considerar o incremento do valor da indutância quando se evolui da posição não alinhada para a posição alinhada. Se a indutância for definida pela relação existente entre o fluxo ligado e a corrente que o origina, então a forma das curvas de indutância como função da posição do rotor, em que a corrente é o parâmetro variável, é mostrada na Fig. 4.5. As curvas apresentam uma evolução periódica estabelecida pelo passo polar do rotor.

Fig. 4.5 – Evolução da indutância tendo como referência a posição rotórica

A direcção do movimento verifica-se sempre no sentido de alinhar o dente do rotor pertencente à fase excitada com o pólo mais perto, independentemente da direcção da corrente na bobina. Se o rotor e o estator tiverem pólos simétricos, são necessárias pelo menos duas fases para produzir um binário unidireccional. Se a corrente está a fluir quando o rotor se desloca no sentido para o qual a indutância diminui, o binário produzido é negativo, logo o funcionamento é considerado como gerador.

O binário total produzido pelo actuador não é constante mas, pelo contrário, varia em função dos pulsos de corrente fornecidos. Este problema pode ser contornado, quer fazendo um controlo adequado da corrente que percorre as fases, quer aumentando o número de fases da máquina.

O binário instantâneo produzido pela máquina é função da variação da co-energia com a posição angular, mantendo-se a corrente constante. Em qualquer posição, a co-energia corresponde à área definida pela curva de magnetização e pelo eixo da corrente. Quando o rotor se desloca de uma posição para outra ocorre uma variação da co-energia. O processo de conversão da energia eléctrica em energia mecânica é em tudo idêntico ao que já se descreveu no Capítulo 2, e se analisou no caso de estudo no Capítulo 3.

Como já foi descrito, o binário produzido pelo actuador de RVC não é constante. O binário médio produzido pode ser obtido pela análise da curva i-λ. Supondo que o

actuador está a rodar a uma velocidade constante, a tensão vt é aplicada à fase quando, do ponto de vista mecânico, se está nas imediações da posição não alinhada. O fluxo irá

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variar de acordo com a equação

(

)

(

)

∫

∫

onde R é a resistência da fase, e θ a posição angular.

Se a resistência da fase for reduzida, podemos afirmar que o fluxo produzido aumenta linearmente com a evolução da posição rotórica. A corrente aumenta linearmente no início, enquanto que a indutância em torno da posição não alinhada permanece baixa e praticamente constante. Com a ocorrência do alinhamento dos pólos do estator com os dentes do rotor, a indutância aumenta rapidamente, e com ela a Força Contra Electromotriz, reduzindo desta forma a sua taxa de crescimento.

Considere-se a Fig. 4.6 [18]. Quando o interruptor do circuito de potência que alimenta o motor é fechado, alimentando uma fase, período que corresponde ao percurso O-C, a corrente e o fluxo produzido aumentam. O ponto C corresponde à comutação da fase (o interruptor de potência é aberto), e onde o díodo de roda-livre entra em condução até que a corrente se volte a extinguir, retornando desta forma ao ponto inicial de funcionamento O. O processo de condução do díodo de roda-livre corresponde ao percurso C-O.

Fig. 4.6 – Ilustração do processo de conversão energia-trabalho numa fase do motor

No ponto C a energia total fornecida pela fonte ao sistema é igual à área total

U = Wd + Wmd + Wmf. Uma parte da energia fornecida é convertida em trabalho mecânico (Wmf), sendo a outra parte armazenada no campo (Wd + Wmd). Após a comutação do interruptor de potência, parte da energia armazenada (Wd) retorna à fonte e, quando se volta a atingir o ponto de início O, o fluxo e a corrente são nulos. Supondo que, no período de condução entre O e C é fornecida a energia U,e se o sistema for considerado linear, podemos afirmar que metade da energia é convertida em trabalho mecânico, enquanto que os restantes 50% são armazenados no circuito magnético. No decorrer do período de condução do díodo de roda-livre, entre os pontos C e O, a energia Wd é devolvida à fonte, sendo Wmd convertida em trabalho mecânico. O trabalho total realizado é igual à soma das parcelas Wmf + Wmd. O rendimento deste actuador

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129 pode então ser determinada por

mf md d mf md W W W W W η= + + + . (4.2)