A presente matéria tem por objetivo apresentar o princípio de funcionamento do gerador AC de campo magnético rotativo e sua aplicação no gerador automotivo, desde os anos 50. Possui a armadura (bobina) estacionária que constitui o estator. O campo magnético (gerado por ímã permanente ou por eletroímã) constitui o rotor. Neste caso, a tensão gerada pela bobina (armadura) pode ser aplicada à carga diretamente, sem a necessidade das escovas/anéis deslizantes. Compare-se esta configuração com aquela do gerador AC de armadura rotativa, apresentada na edição anterior.
• Rotor com Ímã Permanente
A figura acima apresenta a constituição deste tipo de gerador. Com o campo magnético do rotor nesta posição, as linhas de fluxo cortam a bobina de armadura, induzindo uma voltagem com a polaridade indicada.
Já na figura abaixo, o campo girou 180o, induzindo uma tensão com polaridade oposta.
Reparar em ambos os casos os sentidos (opostos) da corrente no resistor de carga.
A figura acima mostra a vista em corte do gerador (segundo a direção A de visualização) que serve de auxílio à interpretação da figura 4, a qual mostra como varia a tensão induzida a cada 90o do ângulo de rotação do campo magnético, ao longo de um ciclo completo. No caso do exemplo (gerador de 1 bobina e 1 fase), este ciclo define o período da onda alternada e consequentemente, a frequência. O valor do período depende da velocidade de rotação do rotor.
Reparar na orientação do polo norte do ímã e na polaridade da tensão gerada. Para a interpretação o gráfico, levar em consideração o seguinte:
Para cada posição do gráfico se pressupõe que o rotor (campo magnético) gira ângulos pequenos em torno da posição considerada.
Quando as linhas de fluxo se deslocam paralelas aos lados da bobina (como em [1]), esta não corta linhas de fluxo. Portanto, a tensão induzida na bobina de armadura é nula.
Quando as linhas de força se deslocam perpendiculares aos lados da bobina (como em [3]), a bobina corta a maior quantidade de linhas de fluxo por ângulo girado. Portanto, a tensão induzida é máxima.
Nas outras posições, a tensão induzida é um valor intermediário.
A polaridade depende de qual dos lados da bobina (indicados com “+” e “-”´), o polo N se aproxima ou se afasta.
Quando N se aproxima do lado [+], a tensão aumenta no sentido do valor máximo positivo, +Vm. Quando N se aproxima do lado [-], a tensão diminui no sentido do valor máximo negativo, -Vm.
Quando o polo N se afasta de [+], a tensão diminui com relação a Vm. Quando o polo N se afasta de [-], a tensão aumenta com relação a -Vm.
A identificação dos lados da bobina com os símbolos [+] e [-] é arbitrária, com o único objetivo de auxiliar a explanação.
A onda de tensão induzida é, como no caso do gerador de armadura rotativa, uma “onda senoidal”.
No que segue será analisada a onda de tensão gerada num ciclo de rotação do rotor (360o) com base no gráfico da figura acima.
No ponto [1] o ímã se encontra girando de forma perpendicular ao plano do bobinado da armadura. Portanto, para pequenos ângulos de giro (por exemplo, 5o), em torno dessa posição, as linhas de força se deslocam de forma paralela aos condutores da bobina. Como resultado, a tensão gerada é 0V, já que a bobina não “corta” linhas de fluxo.
Na posição [2] a tensão gerada alcança o máximo Vm devido a que a bobina “corta” a maior quantidade de linhas de fluxo num pequeno ângulo percorrido pelo rotor, em torno da posição [2].
A partir da posição [2], a tensão começa a diminuir e em [3], a situação é similar àquela da posição [1], onde a tensão gerada é 0V.
A situação da posição [4] é similar àquela da posição [2], só que com tensão negativa devido a que as linhas de fluxo que saem do polo norte “cortam” o outro lado da bobina.
• Rotor com Eletroímã
Quando o rotor é constituído de um eletroímã, como mostrado na figura 5, a bobina de campo ou de excitação (rotor) é alimentada com corrente contínua de através de um conjunto de escovas/anéis deslizantes.
A corrente de excitação tem como função gerar o campo magnético e por ser bem menor que a corrente de carga, os conjuntos anel/escova não estão submetidos a altas correntes, como no caso do alternador de armadura rotativa, abordado na edição anterior.
O movimento giratório deste campo magnético induz a tensão alternada no estator, ao serem “cortadas”, as bobinas do mesmo, pelas linhas de fluxo do eletroímã. A vantagem desta configuração, com relação àquela do item anterior, é a possibilidade de controlar a intensidade do campo magnético gerado, através do ajuste da corrente de excitação e com isto, o valor da tensão de saída.
Os alternadores até aqui analisados são do tipo monofásico. Ou seja, o dispositivo possui uma única bobina de armadura.
- Alternador Automotivo
Este é um gerador AC trifásico (3 fases) de campo rotativo. Possui três bobinados monofásicos distribuídos no estator, deslocados, um do outro, de 120O no espaço.
Como resultado, as ondas senoidais, geradas por cada uma das fases, estão deslocadas, uma da outra, em 120O de ângulo de giro. Ou seja, a diferença de fase entre as ondas é 120O.
Isto, independentemente da velocidade de rotação. Portanto, o valor da diferença de fase, expressado em unidades de tempo, dependerá da velocidade de rotação do alternador.
A figura 6 mostra a configuração deste tipo de alternador, com as bobinas simbolizadas por uma única espira; isto, somente a título de exemplo e para facilitar a visualização.
Para facilitar a análise, será utilizado o esquemático do alternador, segundo a vista A (fig.abaixo), na qual fica evidenciado o deslocamento espacial das 3 fases. Cada uma destas se comporta como um gerador AC monofásico de campo rotativo.
• Configurações de Conexão das bobinas
Nos alternadores trifásicos, como mostra a figura abaixo, as bobinas de armadura podem ser conectadas de duas formas:
- Conexão “Estrela” (Y): O neutro N (ponto central da conexão) pode ou não ser acessível. É a configuração adotada no alternador automotivo.
- Conexão “Delta”: Somente possui 3 terminais de saída. Esta configuração não possui neutro real.
A figura acima apresenta os símbolos comumente utilizados na literatura, mas, sem incluir as bobinas de campo ou excitação.
• Campo Magnético
Para a geração do campo magnético necessário ao funcionamento do alternador trifásico, são utilizados eletroímãs, constituídos de um núcleo de material ferromagnético sobre o qual está enrolada a bobina de excitação.
A figura ao lado mostra o esquemático construtivo do rotor gerador do campo magnético.
- Figura [9a]: Vista explodida de um rotor com 4 polos, a título de exemplo. As aplicações automotivas utilizam rotores com um número maior de polos.
- Figura [9b]: Bobina de excitação com a configuração de campo magnético que gera quando alimentada.
- Figura [9c]: Mostra o conjunto montado e a configuração de polos que se estabelece ao alimentar a bobina.
• Ondas de Tensão de Fase
Para a análise a seguir, será utilizada a figura acima considerando a configuração em estrela, com os negativos (-A, -B e -C) conectados formando o neutro.
A figura ao lado mostra uma possível configuração para visualizar as ondas de tensão, utilizando um osciloscópio de 3 canais, por exemplo. As pontas de medição de cada canal estão conectadas aos positivos dos bobinados e a negativa, ao neutro.
O gráfico da figura abaixo mostra as ondas de tensão induzida em cada fase, num giro (360 graus) do rotor.
Para cada bobina e como auxílio à análise do gráfico, considerar o seguinte (além dos conceitos apresentados na edição anterior):
- Ao girar o rotor um pequeno ângulo, com o polo N na frente de uma bobina, induz nela a tensão máxima positiva no seu terminal; isto devido a que corta a maior quantidade de linhas de fluxo por ângulo varrido. Isto com relação ao neutro.
- Pelo contrário, ao girar o rotor um pequeno ângulo, com o polo S na frente de uma bobina, induz nela a tensão máxima negativa. Similar ao caso anterior, mas, com polaridade invertida, Isto com relação ao neutro.
- Ao girar um pequeno ângulo, de forma perpendicular (90 graus) a uma determinada bobina, a tensão induzida é nula já que as linhas de fluxo se movimentam paralelas aos lados da mesma. Não há corte de linhas.
- Para outras posições do rotor, as ondas assumem valores intermediários.
Com referência à figura 11, reparar que:
- As ondas apresentadas o são em função do ângulo girado pelo campo durante 1 ciclo, tomando como início do mesmo, a passagem por zero da onda da fase A.
- O gráfico salienta a diferença de fase entre as ondas, que é de 120O. Ou seja, a onda da fase B passa por zero volt (e aumentando) 120O após a fase A ter passado por zero. Por sua vez, a onda da fase C passa por zero, 120O após B, ou seja, 240O após A.
- Sendo que o gráfico apresenta as ondas em função do ângulo de giro do rotor, não é possível calcular a frequência de rotação. Para isso seria necessário que as ondas fossem apresentadas em função do “tempo”. Nesse caso, seria possível conhecer o valor do período T para então, calcular a frequência.
Lembrar que o período é, neste caso, o tempo (em segundos) que demanda um ciclo ou giro do rotor.