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A razão pela qual um motor CA consegue atingir rotação contínua reside na utilização do princípio da indução eletromagnética e do efeito de um campo magnético rotativo, juntamente com um projeto estrutural específico que converte energia elétrica em energia mecânica de forma estável. Suas principais estruturas e princípios de funcionamento podem ser analisados sob os dois aspectos a seguir:
1. Estruturas-chave: A “Fundação de Hardware” que apoia a rotação
Um motor CA consiste principalmente em duas partes principais: o estator e o rotor. A operação conjunta dessas duas partes é um pré-requisito para a realização da rotação.
- Estator: Como parte fixa do motor, os componentes principais do estator são o núcleo do estator e o enrolamento do estator. O núcleo do estator é geralmente formado por chapas laminadas de aço silício, o que pode efetivamente reduzir as perdas por correntes parasitas. O lado interno do núcleo é distribuído uniformemente com ranhuras para a inserção do enrolamento do estator. O enrolamento do estator é geralmente feito de fios de cobre esmaltados e conectado a um enrolamento trifásico de acordo com regras específicas (a maioria dos motores CA industriais são motores trifásicos), que é conectado a uma fonte de alimentação CA trifásica. Quando a corrente passa pelo enrolamento, o estator gera um campo magnético rotativo, que serve como a "fonte de energia" que aciona o motor para girar.
- Rotor: O rotor é a parte rotativa do motor e é comumente dividido em dois tipos: rotor de gaiola de esquilo e rotor bobinado. O rotor de gaiola de esquilo tem uma estrutura simples, consistindo de um núcleo de rotor, enrolamentos de rotor (barras de cobre ou barras de alumínio) e anéis terminais. Os enrolamentos do rotor são embutidos nas ranhuras do núcleo como uma "gaiola" e curto-circuitados em ambas as extremidades através dos anéis terminais. O rotor bobinado, por outro lado, tem enrolamentos com camadas isolantes embutidos nas ranhuras do núcleo. As duas extremidades dos enrolamentos são conduzidas para fora através de anéis coletores e escovas, e resistores externos podem ser conectados para ajustar o desempenho do motor. A função principal do rotor é gerar uma corrente induzida sob a ação do campo magnético rotativo do estator e, em seguida, ser empurrado para girar pela força eletromagnética.
2. Princípio de funcionamento: A “lógica de rotação” impulsionada pela força eletromagnética
A rotação de um motor CA depende de um processo completo de "geração de campo magnético rotativo – formação de corrente induzida – rotação acionada por força eletromagnética". Tomando como exemplo o motor CA assíncrono trifásico (o tipo mais utilizado):
- Geração de Campo Magnético Rotativo: Quando os enrolamentos trifásicos do estator são conectados a uma fonte de alimentação CA trifásica simétrica, cada fase do enrolamento gerará uma corrente alternada que muda senoidalmente com o tempo. Devido à diferença de fase de 120° entre as correntes trifásicas, o campo magnético combinado excitado conjuntamente por elas no núcleo do estator não é estacionário, mas gira em torno do eixo do motor a uma velocidade estável (conhecida como velocidade síncrona), formando um "campo magnético rotativo". A magnitude da velocidade síncrona é determinada pela frequência da fonte de alimentação e pelo número de pares de polos do enrolamento do estator do motor, seguindo a fórmula: n₀ = 60f/p (onde n₀ é a velocidade síncrona, em r/min; f é a frequência da fonte de alimentação, em Hz; p é o número de pares de polos).
- Corrente induzida pelo rotor e força eletromagnética: As linhas de campo magnético do campo magnético rotativo cortarão os enrolamentos do rotor (ou barras do rotor). De acordo com a lei da indução eletromagnética, uma força eletromotriz induzida é gerada nos enrolamentos do rotor. Como os enrolamentos do rotor formam um circuito fechado através dos anéis terminais (ou circuitos externos), a força eletromotriz induzida impulsiona uma corrente a fluir nos enrolamentos do rotor, gerando uma "corrente induzida pelo rotor". Neste ponto, os condutores do rotor com corrente induzida estão no campo magnético rotativo do estator. De acordo com a Regra da Mão Esquerda de Fleming, os condutores do rotor são submetidos à ação da força eletromagnética. O torque total exercido por essas forças eletromagnéticas no eixo do rotor do motor é chamado de "torque eletromagnético".
- Rotação Contínua e Característica “Assíncrona”: Impulsionado pelo torque eletromagnético, o rotor do motor começa a girar na direção do campo magnético rotativo e acelera gradualmente. No entanto, deve-se notar que a velocidade do rotor (chamada de velocidade do rotor n) nunca pode atingir a velocidade síncrona n₀ do campo magnético rotativo do estator. Isso ocorre porque, se a velocidade do rotor for igual à velocidade síncrona, não haverá movimento relativo entre os condutores do rotor e o campo magnético rotativo, e as linhas do campo magnético não podem cortar os condutores do rotor. Como resultado, tanto a corrente induzida pelo rotor quanto o torque eletromagnético desaparecerão, e o rotor desacelerará devido à resistência. Portanto, a velocidade do rotor é sempre menor que a velocidade síncrona. Essa "diferença de velocidade" é uma condição necessária para manter a corrente induzida pelo rotor e o torque eletromagnético, e também é a origem do nome "motor assíncrono" (a razão entre a diferença de velocidade e a velocidade síncrona é chamada de taxa de deslizamento s, onde s = (n₀ – n)/n₀, e s geralmente está entre 0,01 e 0,05 durante a operação normal). É por meio desse mecanismo de "campo magnético rotativo acionando o rotor e a diferença de velocidade mantendo a potência" que o motor CA atinge rotação contínua e estável, acionando assim vários equipamentos mecânicos para operar.
