A) Comutador - Introdução
O comutador (mais comumente chamado "coletor") é uma peça vital de todos os motores e geradores de corrente
contínua, merecendo, por isso, o melhor tratamento possível. Via de regra, o fato de os comutadores solicitarem
manutenção, apresentando indícios de dificuldades antes da ocorrência de defeitos, constitui grande vantagem para os
encarregados de manutenção.
Se reconhecer esses indícios e souber como atuar poderá, com freqüência, corrigir defeitos antes que eles se convertam
em problemas graves.
Função - Os comutadores exercem três funções:
1- Fornecem o contato elétrico deslizante indispensável entre as escovas fixas e a armadura em rotação.
2- Atuam como chave de reversão. À medida que as pontas das bobinas da armadura passam pelas escovas, o
comutador transfere-as de um circuito para outro, fazendo com que todas as bobinas sejam atravessadas por corrente
elétrica, fluindo sempre na direção correta.
3- Eles também conduzem à superfície das escovas a tensão total de operação da máquina.
Comutação
É a inversão da corrente em uma bobina que está sendo curto-circuitada por uma escova.
A circulação da corrente através das escovas e dos enrolamentos da armadura de uma máquina de corrente contínua
normalmente segue vários caminhos ao penetrar nos enrolamentos, vinda do comutador. Depois de circular pelos
enrolamentos, esses caminhos juntam-se novamente e saem através da escova de saída. À medida que cada bobina
passa por baixo da escova (veja figura 24), a corrente circula em uma direção, quando em um lado da escova, e na
direção oposta, quando no outro lado; assim, a corrente deve passar pelo valor zero, em seguida é invertida na fração
de segundo que demora para a bobina passar por baixo da escova. Note que cada escova é bastante larga para alcançar
duas lâminas adjacentes comutadoras e curto-circuitar a bobina do induzido durante um instante.
Figura 24 - Desenho da armadura
mostrando a direção do fluxo de
corrente através das bobinas. É
indicada a polaridade do gerador.
Este fenômeno é o da comutação.
Que é que acontece se a corrente não for invertida a tempo? A bobina sairá debaixo da escova com a corrente ainda
fluindo na direção primitiva. O ponto de encontro com a corrente que flui no outro caminho (chamado "ponto neutro")
não mais estará por baixo da escova. Esta mudança do "ponto neutro" acumula a corrente em uma das bordas da
escova. Em seguida, ela bate para a superfície do comutador sob a forma de uma centelha para alcançar este ponto
mudado.
Estas máquinas operam com uma ampla faixa de corrente de carga e, quanto maior for a corrente, mais difícil será
atingir uma inversão completa quando a bobina corre por baixo da escova. Assim, a maioria das grandes máquinas de
corrente contínua são dotadas de interpólos (ou pólos de comutação) para acelerar esta inversão de corrente e para
manter o "ponto neutro" embaixo da escova. Estes pólos são menores e ficam localizados entre os pólos principais da
carcaça do gerador ou do motor (figura 25). A polaridade é a mesma que no pólo seguinte na direção de rotação de um
gerador e a mesma que no pólo no caso de um motor. Eles não trabalham para outra coisa que não seja ajudar o
trabalho da comutação. O magnetismo destes pólos forma uma tensão nas bobinas do induzido à medida que passam
pela zona coberta pelo contato da escova. Esta tensão acelera a inversão de corrente para completá-la antes que a
bobina deixe o contato da escova.
Figura 25 - Posições relativas dos pólos
principais, pólos de comutação e em curtocircuito, onde a corrente está sendo
invertida.
Estes pólos são projetados para realizarem um bom trabalho de comutação a plena carga e mesmo até além dela.
Quando, entretanto, ocorre uma súbita passagem de excesso de corrente pelos enrolamentos, o magnetismo do ferro
não pode crescer de modo bastante rápido. É quase a mesma coisa que subitamente abrir uma mangueira de água de
jardim - demora alguns segundos antes que a água possa sair pelo bocal.
Isto significa que não há tensão suficiente para inverter a corrente no tempo concedido e, como resultado, ocorre o
centelhamento. Além disso, somente se pode aplicar um certo grau de magnetismo em uma peça de ferro. No seu valor
máximo fica cheio ou saturado. É como o caso de tentar forçar a passagem por uma mangueira de uma quantidade de
água maior do que á capaz. Daí, portanto, existe um limite para a ajuda que os pólos possam prestar na inversão da
corrente na bobina. Quando a corrente fica tão intensa que este auxílio não é suficiente, caso de se ter na máquina uma
carga maior do que a mesma é capaz, ocorrerá, como resultado, o centelhamento.
Construção
Os comutadores são construídos com segmentos alternados de cobre e de mica (figura 26). Os segmentos de cobre
recebem com freqüência o nome de barras, sendo as seções de mica chamadas simplesmente "mica". As seções de
mica separam eletricamente as barras, sendo rebaixadas em relação à superfície das barras para não interferirem no
deslizamento das escovas sobre a superfície do comutador. As barras (ou lâminas) têm perfil de cunha, de maneira a
formarem um cilindro quando montadas.
Figura 26 - Corte do comutador.
Cada barra possui uma bandeira em uma extremidade onde são feitas as ligações com a bobina da armadura. As barras
são mantidas em posição pela ação de aperto de uma capa de aço parafusada em uma carcaça de aço (figura 27).
Figura 27 - Conjunto de comutador em arco.
Os cones de mica, com contorno adequado para se encaixarem entre a carcaça e a capa, isolam as barras do terra
(induzido).
Uma bandagem de Teflon para isolamento superficial, aplicada sobre o isolamento exposto de cone, protege a mica
contra avarias e apresenta uma superfície lisa de isolamento superficial que é fácil de manter limpa.
Processamento
Durante a manufatura dos comutadores é feito um grande esforço para se assegurar que ele seja estável depois de
concluído. Essa estabilidade significa que a superfície do comutador no ponto de ataque das escovas:
1a - Não se torna áspera a velocidades muito altas.
2a - Não fica áspera ao ser aquecida (isto é, com altas correntes de partida), ou, se amacia quando quente, não se torna
áspera ao esfriar.
3a - Não fica áspera em resultado do movimento das barras (ou lâminas), depois de ter estado em serviço durante
algum tempo.
Para se conseguir um comutador estável, é aplicado diversos recozimentos e apertos a alta temperatura, tanto no anel
de lâminas de cobre e de mica, antes de serem estas retificadas, quanto no conjunto completo do comutador. As
temperaturas de recozimento excedem as que os comutadores podem encontrar na prática.
Uns grandes números de comutadores para motores e geradores de tração são "sazonados" em cavaletes de rotação,
depois de terem sido montados nas armaduras e de estes terem recebido as bobinas. Nesses cavaletes, os comutadores
são submetidos a ciclos sucessivos de aquecimento e esfriamento durante a sua rotação, a velocidades que excedem de
cerca de 20% a máxima velocidade de funcionamento. Um dos ciclos mais comuns consiste em aquecer o comutador
até 160oC em uma hora, manter essa temperatura durante ½ hora e esfriar até a temperatura ambiente em ½ hora,
sempre a grande velocidade. Esse ciclo é repetido diversas vezes, até serem obtidos os resultados desejados.
Excentricidade
Embora a superfície do comutador esteja lisa, ele pode estar descentrado. Diz-se, então, que o comutador está
excêntrico. Esse é um defeito comum, sendo geralmente a alteração da superfície compensada com maior facilidade
pelas escovas. Estas se limitam apenas a subir e descer nos porta-escovas, em cada rotação. Porém esse movimento
excêntrico torna-se mais rápido à medida que a velocidade aumenta. Finalmente, as escovas começam a não fazer
contato, acabando por queimar a superfície do comutador. A continuação dessa queima causa destruição ainda maior
na superfície do comutador (figura 28).
Figura 28 - Exemplo de
comutador excêntrico
(exagerado para melhor
esclarecimento).
As causas possíveis de excentricidade são:
1) Eixo empenado
2) Mancais desalinhados
3) Comutador usinado entre centros desalinhados.
4) Deformações causadas por grandes alterações de temperatura a alta velocidade.
5) Acoplamento descentrado nos geradores de tração de um só mancal.
Desnivelamentos na superfície
Por vezes surgem desnivelamentos acentuados ou "degraus" na superfície dos comutadores. Tais defeitos podem ser
causados por choques ou pancadas no comutador. Ainda que a alteração na superfície possa ser pequena, nenhuma
mola, por mais forte que seja, pode manter a escova em contato com o rebaixo na superfície. A escova pode bater
(pular) do nível mais alto ou, se a rotação for invertida, o degrau pode bater nas escovas e expulsa-las da superfície. A
velocidades mais altas, essa pancada pode ser bastante forte para fragmentar as escovas (figura 29).
Figura 29 - Efeito das barras
recuadas.
Barras salientes
Se o motor for mantido parado com a força ligada, as barras do comutador situadas debaixo das escovas serão
superaquecidas. Tais barras dilatam-se e levantam-se em relação às outras. As barras salientes batem nas escovas,
produzindo faiscamento e queima, agravando, ainda mais, a superfície do comutador. Se isso não for corrigido, as
escovas acabarão por despedaçar-se e haverá faiscamento grave (figura 30).
Figura 30 - Efeito das barras salientes
sobre as escovas.
Nos casos mais sérios, a temperatura pode aumentar até o ponto de recozer ou destemperar o cobre. A pré-cinta de
mica poderá ser mesmo queimada. Flocos de mica serão expulsos dos pontos de maior pressão, afrouxando a ação de
aperto das barras aquecidas. Os comutadores, nessas condições, criam muitos problemas. As barras amolecidas
desgastam-se de maneira diferente das barras adjacentes e, por estarem soltas, serão levantadas a velocidades altas.
Se suspeitar que há barras destemperadas, verifique-as com um escleroscópio ou por outro método equivalente. Em
alguns casos, as barras recozidas podem ser descobertas por sua descoloração, principalmente nas extremidades onde
as escovas não tocam.
Micas salientes
A expressão mica saliente refere-se à relação de altura entre a superfície das barras do comutador (figura 31 - A).
Em operação normal, a superfície do comutador desgasta-se gradativamente. À proporção em que o cobre é removido
por desgaste, a profundidade do rebaixamento (ranhuras) é diminuída até que as bordas das micas fiquem niveladas
(ou levemente mais altas) com a superfície do comutador (figura 31 - B). Neste ponto, diz-se que é "mica saliente".
A mica saliente pode ser resultado de desgaste eletromecânico normal ou pode ser uma falha no rebaixamento da mica
após as operações de retificação do comutador.
A formação de penas ou bigodes de mica nas arestas resulta do rebaixamento incorreto da mica saliente (figura 31 - C)
a qual deixa penas de mica junto à superfície do comutador.
Figura 31 - Mica saliente ou
com bordas irregulares.
Qualquer que seja a forma da mica saliente ela perturba o processo da comutação. Isto, por sua vez, aumenta o
desgaste das barras do comutador e o das escovas que irá expor mais mica, aumentando a perturbação do comutador.
Polimento
Se a superfície do comutador estiver simplesmente manchada poder-se-á limpá-la polindo-a com lona. Se isso não for
suficiente, ou se o comutador estiver levemente áspero, poderão ser utilizados um pano de brunir ou uma lixa fina de
madeira. Todos devem ser montados num bloco de madeira conformado, para se adaptar à superfície do comutador
(figura 32).
Figura 32 - Lixa fina montada num
bloco de madeira perfilado.
Escovas e superfície do comutador devem, de início, ter bom contato elétrico e admissão perfeita. Um fator de grande
influência nisto é a rugosidade da superfície do comutador. Se ela for muito lisa, deve-se contar com elevações
periódicas dos valores dos atritos, mesmo a baixas velocidades de deslizamento, pois as escovas de carvão chegam
próximas ao atrito de aderência enquanto que em altas velocidades de deslizamento está presente o risco de
manifestação dos efeitos aerodinâmicos. Ambos os efeitos conduzem a um contato inseguro e irregular sobre o
perímetro do coletor.
Além disso, em superfícies lisas, as partículas de carvão e grafite, provenientes do desgaste da superfície de
funcionamento da escova, têm dificuldades de aderência, de modo que a formação do filme é lenta e imperfeita.
Em particular, nas máquinas com comutação complexa, isto pode levar rapidamente a danos na superfície das barras,
na forma de manchas que produzem, como conseqüência, o faiscamento nas escovas.
Uma superfície muito áspera do comutador leva em pouco tempo a um grande desgaste inicial, que também deve ser
evitado, embora para a admissão uma superfície áspera seja preferível a uma superfície lisa.
Portanto, para uma admissão ótima das escovas, a superfície do comutador não deve ser muito áspera nem tampouco
muito lisa.
Pesquisas e experiências mostraram que a profundidade ideal para as ranhuras é Rz=5~8µm. Ressalte-se que esta
profundidade deve ser igualmente produzida e distribuída por torneamento ou polimento na direção axial.
Retificação com pedra
Se a superfície do comutador tiver ranhuras pouco profundas ou se estiver riscada ou queimada, e se for suficiente
retirar uma pequena espessura de cobre para corrigir o defeito, o método mais apropriado é a retificação com pedra,
que deve ter a superfície conformada, de maneira a adaptar-se à do comutador. Além disso, a pedra deve ser bastante
comprida para abranger todo o defeito a ser corrigido; se não for assim, ela entrará e sairá do defeito, sem de maneira
alguma corrigi-lo. Via de regra, o comprimento da pedra é limitado pelo espaço entre porta-escova. Porém, se isso não
for suficiente, poderá ser retirado um porta-escovas a fim de permitir a utilização de uma pedra maior (figura 33).
Figura 33 - Aplicação correta da
pedra de retificar.
A retificação com pedra, porém, não corrigirá os comutadores excêntricos ou descentrados.
Rebaixando a isolação das barras
Para instalações nas atuais máquinas industriais e ferroviárias, praticamente só são utilizadas qualidades de escovas de
carvão que não desgastam a isolação entre as barras do comutador. Com isto, a isolação das barras pode ser feita sem
dificuldades. A isolação imperfeita das barras ou resíduos de mica salientes causa problemas de contato, manchas no
comutador e desgaste das escovas.
Para o formato da fenda das barras, para corte ou fresa da mica, para um bom desmicamento da isolação, bem como
para chanfrar os cantos, não existem normas que forçosamente devam ser obedecidas. Em geral, uma largura de
isolação corresponde à profundidade da fresa tem se mostrado suficiente.
O importante é que não haja resíduos de mica da isolação salientes nas laterais. Por isso, e também para eliminar
eventuais erros de escala, a fresa deve ser lateralmente cerca de 1/10 mm maior que a ponte isolante, conforme mostra
a figura 34.
Figura 34 - Corte correto da isolação
das lamelas do coletor.
Após o desmicamento da isolação das barras e também após fortes polimentos ou torneamento, é recomendável
chanfrar levemente os cantos vivos das barras. Para isso, podem ser usadas ferramentas desbastantes ou semelhantes
(figura 35).
Figura 35
Os ângulos mais usados para o chanfro dos cantos das barras situam-se entre 60o e 90o (figura 36).
Figura 36 - Valores limites do
ângulo de chanfro dos cantos.
Nas pequenas máquinas, o rebaixamento da isolação das barras pode ser obtido através de métodos manuais. Porém,
para usos mais complexos torna-se necessário a utilização de máquinas especiais oferecidas no mercado.
Se os cantos das barras tiverem que ser chanfrados, isto deve ser feito antes da última etapa de polimento ou
torneamento. Geralmente, após a usinagem deve-se proceder a uma limpeza das fendas.
Após a retífica e polimento
- Para a velocidade superficial 45 m/s a excentricidade ou leitura total do indicador deve ser menor que 0,013 mm.
- Para velocidade superficial entre 25,4 e 45 m/s a excentricidade deve ser menor que 0,025 mm.
- Para baixa velocidade e diâmetro grande, a excentricidade deve ser ao redor 0,0762 mm.
- O comutador não deve ter lâminas altas e baixas. Variações de uma lâmina a outra da ordem de 0,0025 mm podem
trazer complicações na operação.
B) Alinhamento das escovas
O alinhamento das escovas é outro problema que deve ser tratado com toda a atenção. Devemos respeitar três regras
importantes:
1- Os porta-escovas devem ficar dispostos paralelamente às lâminas do comutador.
2- A superfície do comutador deverá ser completamente coberta pelas pistas das escovas.
3- Toda pista deverá ser percorrida por escovas positivas e negativas, e sempre em igual número (figura 37).
Figura 37
OBS: Pista é a faixa que uma escova determina sobre o comutador quando este está em movimento, e tem a largura
igual à largura da escova.
C) Outros cuidados que devemos levar em consideração
1- Pressão. Verificar se a pressão nas escovas está correta e se todas têm a mesma pressão, pois pressões diferentes
causam desgastes também diferentes.
2- Escovas de qualidades diferentes e com densidade de correntes diferentes resultam na sobrecarga das escovas de
menor densidade de corrente, acarretando no maior desgaste das mesmas e dificultando a comutação. A este fenômeno
chamamos de ação seletiva das escovas.
3- Aperto nos parafusos terminais. O terminal deve ser bem apertado, senão a corrente fluirá através dos portaescovas, aquecendo-os e danificando-os.
4- Porta-escovas. Verificar a ausência de rebarbas no interior dos porta-escovas, bem como sua fixação no pente. O
fundo do porta-escovas deve estar assentado em ângulo correto. A distância do porta-escovas e o comutador deve estar
entre 1,6 a 3,2 mm.
5- Assentamento. Fazer assentamento das escovas de modo a se obter uma curva na superfície de contato igual à
curvatura do comutador. O assentamento deverá ter aproximadamente 75% da área de contato das escovas.
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