Introdução
Para mim, quando se resolve fazer alguma coisa em alguma área que não é de nossa especialidade ou conhecimento a parte mais complicada é o entendimento de alguns conceitos e o relacionamentos e influência que cada um tem no outro.
Eu geralmente gasto muito tempo lendo e estudando antes de realmente colocar a mão na massa.
E durante esses meus estudos encontrei uma documentação muito bacana sobre motores elétricos, que veio como uma luva para ajudar no entendimento de algumas coisas que eu estava tendo dificuldade para entender.
O texto original está em inglês, então esse post será basicamente uma tradução dos textos originais e no final terá a indicação do autor e link para o original.
Motores Elétricos
Parece que um monte de novatos na área de areo-modelismo têm dificuldade para entender sistemas elétricos de potência. Se você está confuso sobre como os motores elétricos funcionam, em seguida eu irei apresentar um modelo de motor elétrico simplificado. Por que simplificado? Porque o mundo real é confuso e complexo! Além disso, não precisa se preocupar com cada pequeno detalhe pois tudo o que estamos tentando fazer é entender o básico.
Vamos imaginar um motor elétrico simples que chamaremos de Ideal Motor. Nós o chamamos de "ideal" porque tem características extremamente simples e é 100% eficiente em operação. Nosso motor tem uma única qualidade: para cada volt de energia aplicada nele, o motor irá girar em exatamente 1000 RPM. Em 5 volts, o motor irá girar 5000 RPM, em 25 volts, o motor irá girar 25000 RPM. Então o RPM será sempre igual à quantidade de volts aplicados no motor multiplicado pela constante 1000.
Vamos imaginar um motor elétrico simples que chamaremos de Ideal Motor. Nós o chamamos de "ideal" porque tem características extremamente simples e é 100% eficiente em operação. Nosso motor tem uma única qualidade: para cada volt de energia aplicada nele, o motor irá girar em exatamente 1000 RPM. Em 5 volts, o motor irá girar 5000 RPM, em 25 volts, o motor irá girar 25000 RPM. Então o RPM será sempre igual à quantidade de volts aplicados no motor multiplicado pela constante 1000.
Relação Volt e RPM do nosso Ideal Motor
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| Volts | RPM |
| 1 volt | 1000 RPM |
| 2 volts | 2000 RPM |
| 3 volts | 3000 RPM |
| 4 volts | 4000 RPM |
... e assim por diante ...
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Agora nós precisamos de uma fonte de energia para nosso motor. Vamos imaginar que nós temos uma 'célula' ideal que satisfaça nosso motor.
Por enquanto, nosso 'célula' ideal pode ser definida apenas por uma única característica: a quantidade de tensão (voltagem) que ela produz. Para simplificar, vamos escolher uma tensão para realmente ficar fácil o entendimento da nossa 'célula' ideal. Cada 'célula' ideal produz exatamente 1 volt de eletricidade.
Então, agora nós podemos fazer um pacote de baterias com 'células' ideais e anexá-las ao nosso motor. Vamos ver o que teríamos de resultado:
Então, agora nós podemos fazer um pacote de baterias com 'células' ideais e anexá-las ao nosso motor. Vamos ver o que teríamos de resultado:
Relação do Número de Células e RPM do nosso Ideal Motor
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| # de Células Ideais | RPM |
| 1 | 1000 RPM |
| 2 | 2000 RPM |
| 3 | 3000 RPM |
| 4 | 4000 RPM |
... e assim por diante ...
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Os observadores cuidadosos vão notar que a tabela acima se parece muito com a primeira tabela. Nosso Ideal Motor e a 'célula' ideal tornaram a vida muito fácil para nós, não é mesmo? Quase podemos usar as palavras "células" e "volts" alternadamente por causa de nossos valores inventados. Naturalmente, no mundo real não é tão simples assim, mas não é totalmente diferente do nosso mundo ideal também. Tenha isso em mente à medida que avançamos.
A relação entre volts (células) e RPM para o nosso sistema de energia ideal pode trabalhar tanto em um sentido como no outro. Então, se eu medir o meu Ideal Motor e ele estiver girando a 4000 RPM podemos apostar que a tensão de entrada é precisamente 4 volts, que por sua vez significa que estamos utilizando 4 células. Simples até agora.
Mas! Você pode notar que o nosso motor está feliz da vida girando mas não está fazendo nada! Precisamos acrescentar algo ao seu eixo de saída para que ele possa girar ao redor e movimentar uma grande quantidade de ar. Então, vamos colocar uma hélice em nosso motor e ver o que acontece com o RPM. De fato, vamos comparar duas hélices de tamanhos diferentes com o mesmo motor e várias quantidades de células.
A relação entre volts (células) e RPM para o nosso sistema de energia ideal pode trabalhar tanto em um sentido como no outro. Então, se eu medir o meu Ideal Motor e ele estiver girando a 4000 RPM podemos apostar que a tensão de entrada é precisamente 4 volts, que por sua vez significa que estamos utilizando 4 células. Simples até agora.
Mas! Você pode notar que o nosso motor está feliz da vida girando mas não está fazendo nada! Precisamos acrescentar algo ao seu eixo de saída para que ele possa girar ao redor e movimentar uma grande quantidade de ar. Então, vamos colocar uma hélice em nosso motor e ver o que acontece com o RPM. De fato, vamos comparar duas hélices de tamanhos diferentes com o mesmo motor e várias quantidades de células.
Se você é realmente novo no mundo do RC, então você pode precisar saber como as hélices (propellers) são especificadas. Cada hélice tem um diâmetro e um passo (pitch). Eu suponho que você saiba o que "diâmetro" significa, mas a palavra "passo" (pitch) pode ser um pouco confuso. O "passo" é a distância que a hélice iria viajar para a frente em uma volta completa em um meio perfeito e ideal. Quanto maior for o ângulo de inclinação das pás da hélice mais distante ela viajaria numa só volta. Uma hélice (as vezes chamadas também de prop) com um grande passo normalmente é usado em aviões rápidos, enquanto passos pequenos normalmente são usados em aviões lentos. Nos EUA, as hélices são especificados em polegadas. Vamos usar duas hélices para o nosso exemplo. Uma terá um diâmetro de 5 polegadas e um passo de 5 polegadas, que vamos designar como 5x5. A outra terá um diâmetro de 12 polegadas e um passo de 8 polegadas, que vamos designar como 12x8.
| Relação Número de Células e RPM para nosso Ideal Motor e 2 hélices diferentes | ||
| # de Células Ideais | Hélice | RPM |
| 1 | 5x5 | 1000 RPM |
| 2 | 5x5 | 2000 RPM |
| 3 | 5x5 | 3000 RPM |
| 4 | 5x5 | 4000 RPM |
| ... e assim por diante ... | ||
| 1 | 12x8 | 1000 RPM |
| 2 | 12x8 | 2000 RPM |
| 3 | 12x8 | 3000 RPM |
| 4 | 12x8 | 4000 RPM |
| ... e assim por diante ... | ||
Nada na tabela acima deve surpreendê-lo, porque o nosso Ideal Motor sempre gira 1000 RPM para cada volt, independentemente do tipo de carga (a hélice) que é colocada no eixo de saída. Este é um ponto crucial e sua analogia com o mundo real é uma das coisas que dificulta completamente o entendimento de energia elétrica de muitos iniciantes.
É claro que também temos que perceber que é preciso muito mais energia/força para girar uma hélice 12x8 em 4000 RPM do que para girar uma hélice 5x5 na mesma velocidade. Deve então estar faltando alguma coisa no nosso modelo de motor simplificado.
Na verdade, a única coisa que está faltando é a chamada 'corrente'. Corrente é a outra metade da equação de energia. Infelizmente, não podemos ir mais longe sem a introdução de algum tipo de fórmula para a discussão. Eu prometo que eu não faria isso com você se não fosse preciso, mas é uma fórmula fácil e não deve causar nenhum problema:
Watts = Volts x Amp
A fórmula acima é a fórmula mais importante que você sempre irá e pode um dia salvar sua vida. Ok, estou exagerando aqui, mas estes artigos são muito chato e as vezes precisamos descontrair um pouco. O fato é que eu uso esta fórmula, de alguma forma quase todos os dias.
A fórmula relaciona a energia (watts) como um produto de Volts (tensão) e Amp (corrente). Veja, volts é apenas uma parte da equação da energia. Sem a corrente, você não tem nenhuma energia.
A palavra "Watts" é apenas uma maneira elegante de dizer "energia" ou "força". Ao longo do tempo, watts pode executar um trabalho. Sabe, trabalho: aquilo que todos os seus colegas de trabalho estão fazendo enquanto você lê esta página web.
Vamos colocar Watts para trabalhar agora, de fato. Lembre-se da última tabela que mostrava o nosso Ideal Motor acoplado com um número variável de células ideais para ligar duas hélices diferentes? Lembre-se de como o RPM sempre foi dependente apenas de quantos volts foram aplicados ao motor, mesmo que ele precisasse fazer muito mais esforço para para girar uma hélice maior? Vamos agora usar watts para mostrar o quanto de esforço está envolvido:
Por favor, note que os valores watt que eu dei na tabela acima não são valores reais. Eu só estou usando valores simples para demonstrar um ponto. E esse ponto é que é preciso muito mais energia para girar uma hélice 12x8 a 4000 RPM do que girar uma hélice 5x5 na mesma velocidade. Também é preciso mais do que o dobro de energia para girar uma mesma hélice em uma RPM dobrada.
Uma vez que agora sei como expressar a energia (watts = volts x amperes), podemos extrair um exemplo fora da tabela acima e ver o que está acontecendo com o nosso Ideal Motor. Vamos concentrar-se na entrada da tabela que mostra que leva 100 watts para girar a hélice 12x8 a 3000 RPM. Como sabemos que watts é o produto de volts e amperes, isso significa que precisaríamos de uma combinação como os seguintes exemplos:
Assim, podemos realmente obter 100 watts de muitas maneiras diferentes. Nosso motor, porém, é construido para nos dar exatamente 1000 RPM por volt independentemente de qualquer outra coisa. Uma vez que estamos tentando girar a nossa hélice a 3000 RPM, isso significa que precisamos de 3 volts. E, portanto, o nosso motor deve estar puxando 33 amperes de corrente de nossas 'células' ideais. Esta é uma conclusão inevitável. Para o nosso motor girar a 3000 RPM com aquela hélice, devemos ter 3 células e puxar 33 amperes delas porque 100 watts são necessários para executar a tarefa exigia.
Vamos dar uma olhada na seguinte tabela preenchida com os valores de corrente e watts de forma apropriada:
É claro que também temos que perceber que é preciso muito mais energia/força para girar uma hélice 12x8 em 4000 RPM do que para girar uma hélice 5x5 na mesma velocidade. Deve então estar faltando alguma coisa no nosso modelo de motor simplificado.
Na verdade, a única coisa que está faltando é a chamada 'corrente'. Corrente é a outra metade da equação de energia. Infelizmente, não podemos ir mais longe sem a introdução de algum tipo de fórmula para a discussão. Eu prometo que eu não faria isso com você se não fosse preciso, mas é uma fórmula fácil e não deve causar nenhum problema:
Watts = Volts x Amp
A fórmula acima é a fórmula mais importante que você sempre irá e pode um dia salvar sua vida. Ok, estou exagerando aqui, mas estes artigos são muito chato e as vezes precisamos descontrair um pouco. O fato é que eu uso esta fórmula, de alguma forma quase todos os dias.
A fórmula relaciona a energia (watts) como um produto de Volts (tensão) e Amp (corrente). Veja, volts é apenas uma parte da equação da energia. Sem a corrente, você não tem nenhuma energia.
A palavra "Watts" é apenas uma maneira elegante de dizer "energia" ou "força". Ao longo do tempo, watts pode executar um trabalho. Sabe, trabalho: aquilo que todos os seus colegas de trabalho estão fazendo enquanto você lê esta página web.
Vamos colocar Watts para trabalhar agora, de fato. Lembre-se da última tabela que mostrava o nosso Ideal Motor acoplado com um número variável de células ideais para ligar duas hélices diferentes? Lembre-se de como o RPM sempre foi dependente apenas de quantos volts foram aplicados ao motor, mesmo que ele precisasse fazer muito mais esforço para para girar uma hélice maior? Vamos agora usar watts para mostrar o quanto de esforço está envolvido:
| Quantidade de energia requerida para girar duas hélices diferentes | ||
| 5x5 | 12x8 | |
| 1000 RPM | 1 watt | 10 watts |
| 2000 RPM | 4 watts | 40 watts |
| 3000 RPM | 10 watts | 100 watts |
| 4000 RPM | 25 watts | 250 watts |
| Note que estes são valores fictícios! | ||
Por favor, note que os valores watt que eu dei na tabela acima não são valores reais. Eu só estou usando valores simples para demonstrar um ponto. E esse ponto é que é preciso muito mais energia para girar uma hélice 12x8 a 4000 RPM do que girar uma hélice 5x5 na mesma velocidade. Também é preciso mais do que o dobro de energia para girar uma mesma hélice em uma RPM dobrada.
Uma vez que agora sei como expressar a energia (watts = volts x amperes), podemos extrair um exemplo fora da tabela acima e ver o que está acontecendo com o nosso Ideal Motor. Vamos concentrar-se na entrada da tabela que mostra que leva 100 watts para girar a hélice 12x8 a 3000 RPM. Como sabemos que watts é o produto de volts e amperes, isso significa que precisaríamos de uma combinação como os seguintes exemplos:
- 100 watts = 1 volt x 100 amps
- 100 watts = 2 volts x 50 amps
- 100 watts = 3 volts x 33 amps
- ... e assim por diante ...
Assim, podemos realmente obter 100 watts de muitas maneiras diferentes. Nosso motor, porém, é construido para nos dar exatamente 1000 RPM por volt independentemente de qualquer outra coisa. Uma vez que estamos tentando girar a nossa hélice a 3000 RPM, isso significa que precisamos de 3 volts. E, portanto, o nosso motor deve estar puxando 33 amperes de corrente de nossas 'células' ideais. Esta é uma conclusão inevitável. Para o nosso motor girar a 3000 RPM com aquela hélice, devemos ter 3 células e puxar 33 amperes delas porque 100 watts são necessários para executar a tarefa exigia.
Vamos dar uma olhada na seguinte tabela preenchida com os valores de corrente e watts de forma apropriada:
| Relação Número de Células e RPM para nosso Ideal Motor e 2 hélices diferentes | ||||
| # Células Ideais | Corrente | Hélice | RPM | Potência |
| 1 | 1 | 5x5 | 1000 | 1 watt |
| 2 | 2 | 5x5 | 2000 | 4 watts |
| 3 | 3 | 5x5 | 3000 | 10 watts |
| 4 | 6 | 5x5 | 4000 | 25 watts |
| # Células Ideais | Corrente | Hélice | RPM | Potência |
| 1 | 10 | 12x8 | 1000 | 10 watts |
| 2 | 20 | 12x8 | 2000 | 40 watts |
| 3 | 33 | 12x8 | 3000 | 100 watts |
| 4 | 63 | 12x8 | 4000 | 250 watts |
Então aqui é o aprendemos até agora:
- Nosso motor gira exatamente 1000 RPM para cada volt independentemente da carga;
- Nosso motor puxa das baterias corrente necessária para produzir watts de energia elétrica igual a quantidade necessária para girar a hélice na velocidade demandada pela voltagem;
- Watts é o produto de volts e amperes
- A hélice maior requer muito mais energia para girar em um RPM específico do que uma hélice menor;
- Dada uma hélice e motor fixo, aumentando a tensão vai aumentar a corrente a uma taxa exponencial.
Perguntas & Respostas
Q1 - A quantos RPM o Ideal Motor irá girar se aplicar 17 volts?
R1 - 17000 RPM. Isso é verdadeiro sem levar em consideração qual hélice usar, porque o motor sempre gira a exatos 1000 RPM para cada volt sem considerar a carga.
Q2 - Quanta corrente o Ideal Motor irá puxar se usarmos uma hélice 12x8 de uma bateria com 1 célula? 2 células? 3 células?
R2 - De acordo com as tabelas do artigo, os valores das correntes são 10, 20 e 33 amperes respectivamente. Note que a corrente aumenta cada vez que a voltagem aumenta. Note também que o valor das correntes são valores fictícios que escolhemos simplesmente para o propósito de demonstração (mas que não significa que não reflita a realidade de certa forma).
Q3 - Suponha que eu tenha um avião ideal que está precisando de mais força mas eu não quero adicionar mais células, qual seria a sugestão para resolver o problema?
R3 - Trocar por uma hélice maior. Nosso Ideal Motor irá girar a nova hélice na mesma velocidade (RPM) que a hélice menor e irá fornecer ao avião mais força. A nova hélice irá puxar mais corrente do que a hélice antiga.
Autor: Jim Bourke
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