Motor elétrico: como funciona e como ler os números da placa
O motor elétrico funciona porque um fio percorrido por corrente, dentro de um campo magnético, sofre uma força. Enrolando o fio em bobinas e arranjando os ímãs em volta de um eixo, essa força vira giro. Todo motor elétrico, do ventilador ao carro elétrico, é uma variação dessa ideia, e os sistemas movidos a motor respondem por mais de 40% da eletricidade consumida no mundo.
Este artigo explica o funcionamento do motor elétrico, com as fórmulas que aparecem na placa de qualquer motor: a rotação, o torque e o rendimento, cada uma com a conta feita. As fontes são o guia de especificação da fabricante brasileira WEG, a Agência Internacional de Energia e o instituto de eletrotécnica da universidade alemã KIT.
O princípio: corrente, campo e força
A física é a da força sobre um condutor: força = campo magnético × corrente × comprimento do fio dentro do campo. É a fórmula dos livros de eletromagnetismo; não a tiramos das fontes citadas.
Um exemplo (valores nossos): um fio de 10 cm, com 10 ampères, num campo de 0,5 tesla, sofre 0,5 × 10 × 0,1 = 0,5 newton, o peso de uma barra pequena de chocolate. É pouco, mas um motor multiplica isso por centenas de voltas de fio, e aplica a força a uma certa distância do eixo, o que dá o torque.
O motor tem duas partes. O estator fica parado e cria o campo magnético. O rotor gira, preso ao eixo. O problema de projeto é manter a força sempre empurrando no mesmo sentido enquanto o rotor dá a volta, e cada tipo de motor resolve isso de um jeito.
Os tipos de motor
O guia de especificação da WEG divide os motores em três famílias: de corrente contínua, de corrente alternada síncronos e de corrente alternada de indução, este o mais comum. A tabela resume, com os usos típicos em termos gerais:
| Tipo | Como mantém o giro | Onde aparece |
|---|---|---|
| Corrente contínua com escovas | um comutador mecânico inverte a corrente no rotor a cada meia volta | brinquedos, ferramentas, motor de partida |
| Corrente contínua sem escovas | um circuito eletrônico faz a troca da corrente | drones, ventoinhas de computador, eletrodomésticos |
| Indução, de gaiola | o campo girante do estator induz corrente no rotor, sem contato elétrico | bombas, compressores, esteiras: a maior parte da indústria |
| Síncrono de ímãs permanentes | o rotor, com ímãs, acompanha exatamente o campo girante | carros elétricos, elevadores, máquinas de precisão |
O motor de indução de gaiola dispensa escovas e ímãs. No estator, três enrolamentos alimentados pelas três fases da rede criam um campo magnético que gira. Esse campo passa pelas barras de alumínio ou cobre do rotor, induz corrente nelas, e a corrente induzida sofre a força que arrasta o rotor atrás do campo. É robusto e barato, e por isso domina as fábricas.
A conta da rotação
A velocidade do campo girante, chamada rotação síncrona, depende só da frequência da rede e do número de polos do motor. A fórmula do guia da WEG, em rotações por minuto:
rotação síncrona = 120 × frequência ÷ número de polos
Na rede brasileira, de 60 Hz, o guia dá a tabela:
| Polos | Conta | Rotação síncrona |
|---|---|---|
| 2 | 120 × 60 ÷ 2 | 3.600 rpm |
| 4 | 120 × 60 ÷ 4 | 1.800 rpm |
| 6 | 120 × 60 ÷ 6 | 1.200 rpm |
| 8 | 120 × 60 ÷ 8 | 900 rpm |
O rotor de um motor de indução gira sempre um pouco mais devagar que o campo. Se girasse junto, o campo não cortaria as barras, não haveria corrente induzida nem força. Essa diferença é o escorregamento, que o guia define como (rotação síncrona − rotação real) ÷ rotação síncrona.
Um motor de 4 polos cuja placa marca 1.750 rpm (valor de exemplo) tem escorregamento de (1.800 − 1.750) ÷ 1.800 ≈ 2,8%. É por isso que a placa nunca traz o número redondo.
A conta do torque
Potência é torque vezes velocidade de giro. Nas unidades de catálogo, o guia da WEG dá a fórmula pronta: torque em newton-metro = 9.555 × potência em kW ÷ rotação em rpm. O cavalo-vapor do catálogo vale 0,736 kW.
Para um motor de 10 cv a 1.750 rpm:
- potência: 10 × 0,736 = 7,36 kW;
- torque: 9.555 × 7,36 ÷ 1.750 ≈ 40 N·m.
A mesma potência num motor de 8 polos, perto de 875 rpm, daria o dobro do torque. Motor lento é motor de torque alto, e por isso costuma ser maior e mais pesado para a mesma potência.
Rendimento: quanto vira calor
O rendimento é a potência útil no eixo dividida pela potência elétrica absorvida. O resto vira calor nos fios, no ferro e nos rolamentos. A conta mostra o que alguns pontos percentuais valem. Para o motor de 10 cv, comparando rendimentos de 88% e 91% (valores de exemplo, não de um catálogo específico):
- a 88%: absorve 7,36 ÷ 0,88 = 8,36 kW;
- a 91%: absorve 7,36 ÷ 0,91 = 8,09 kW;
- diferença: 0,276 kW;
- em 4.000 horas de uso por ano (premissa nossa): 0,276 × 4.000 ≈ 1.100 kWh;
- a R$ 0,80 por kWh (premissa nossa): perto de R$ 880 por ano, em um único motor.
Por isso existem classes de rendimento. No Brasil, uma portaria interministerial de 2017 tornou a classe IR3 o padrão mínimo para motores de indução trifásicos de 0,16 a 500 cv, a partir de agosto de 2019, segundo um informativo da WEG. A norma internacional equivalente define as classes de IE1 a IE4, com uma classe IE5 já prevista em documento técnico.
Quanto da eletricidade passa por motores
A Agência Internacional de Energia estimou, num relatório de 2011, que os sistemas movidos a motor elétrico respondem por mais de 40% do consumo mundial de eletricidade. Para o Brasil, a WEG cita 27% de toda a energia consumida no país e, em média, 68% da energia usada na indústria. São números de fabricante, sem o ano da medição.
Em casa, os motores estão na geladeira, na máquina de lavar, no ar-condicionado e na bomba d’água; o peso de cada um está em o que consome mais energia elétrica na sua casa.
O inversor de frequência
Pela fórmula da rotação, mudar a frequência muda a velocidade. É o que faz o inversor de frequência, um equipamento eletrônico colocado entre a rede e o motor. Em bombas e ventiladores, a potência cai com o cubo da velocidade (lei dos livros de máquinas de fluxo, válida quando não há grande altura fixa a vencer): a 80% da rotação, a potência é 0,8 × 0,8 × 0,8 ≈ 51%. Reduzir a velocidade em um quinto corta o consumo quase pela metade, em vez de estrangular a vazão com uma válvula.
Motor e gerador são a mesma máquina
Empurrando o eixo de um motor, ele devolve eletricidade. É assim que um carro elétrico recupera energia nas freadas, como explicamos em frenagem regenerativa. Nos veículos, o rendimento é alto: a ficha de um motor da Bosch para veículos comerciais informa até 97% para o conjunto de motor e inversor. Num motor de combustão interna, a maior parte da energia do combustível sai como calor.
De onde vem
As datas a seguir são do instituto de eletrotécnica do KIT, nas páginas sobre os primeiros motores e sobre o motor de indução:
- 1821: Michael Faraday demonstra a rotação eletromagnética, em laboratório.
- 1834: Moritz Jacobi constrói o primeiro motor rotativo de fato funcional, com cerca de 15 watts.
- 1885: Galileo Ferraris constrói o primeiro motor de indução, de duas fases.
- 1887: Nikola Tesla deposita as patentes do seu motor de indução.
- 1889: Mikhail Dolivo-Dobrowolsky constrói o motor de indução trifásico de gaiola, o desenho usado até hoje.
A disputa de autoria do motor de indução é antiga, e o que cabe a Tesla está em o que Nikola Tesla inventou.
Perguntas frequentes
Como funciona um motor elétrico?
Uma corrente elétrica passa por bobinas dentro de um campo magnético. A força sobre os fios faz o rotor girar.
Por que o motor de 4 polos gira a 1.750 rpm e não a 1.800?
Porque o rotor do motor de indução precisa girar um pouco mais devagar que o campo magnético para que haja corrente induzida. Essa diferença é o escorregamento.
Qual a diferença entre motor de indução e motor síncrono?
No de indução, o rotor escorrega em relação ao campo girante. No síncrono, o rotor acompanha o campo exatamente.
O que é rendimento de um motor?
É a fração da energia elétrica que vira trabalho no eixo. O restante vira calor.
O que significa IR3?
É a classe de rendimento mínima exigida no Brasil para motores de indução trifásicos fabricados ou importados a partir de agosto de 2019.
O funcionamento do motor elétrico cabe em três contas: a força sobre o fio, a rotação pela frequência e pelos polos, e o torque pela potência e pela rotação. O resto é engenharia para perder menos calor. Outros mecanismos explicados assim estão em como funciona a engenharia.
