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Figura 1: Comparativo percentual quanto ao rendimento de motores convencionais e motores de alto rendimento. Fonte: [8]

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Os motores elétricos possuem como principal característica a transformação de energia elétrica em energia mecânica. Durante o processo de conversão de energia diversos fatores influenciam na capacidade da máquina de desenvolver energia mecânica proporcional a energia elétrica aplicada a ela. Essas perdas afetam o rendimento da máquina, sendo este dado pela relação entre a potência elétrica aplicada na máquina e a potência que a máquina é capaz de gerar. As perdas que ocorrem no processo de conversão possuem origem elétricas, mecânicas e magnéticas. Sendo que essas causadas devido a fatores como atrito, ventilação, histerese, perdas por efeito Joule.

Dito isso, para mitigar as perdas e consequentemente aumentar o rendimento da máquina, é necessário adotar uma série de processos construtivos. Para padronizar e atender as necessidades reais de aumento de rendimento tem-se a norma NBR-17094: Máquinas Elétricas Girante, cuja Parte 1 estabelece os requisitos de rendimento de motores de indução trifásicos.

Neste contexto, o presente documento apresentará os motores elétricos de alto rendimento, tendo foco em seus aspectos construtivos e as diferenças em relação aos motores convencionais.

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Figura 2: Diagrama de potência e perdas da máquina. Fonte: Autores

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Os motores de alto rendimento são dimensionados visando minimizar as perdas que ocorrem durante a operação do motor, conforme mostra o fluxograma de potência da Figura 1. Para que isso ocorra é necessário efetuar melhorias no processo de fabricação a serem discutiras posteriormente.

Como apresentado anteriormente o rendimento é a razão entre a potência mecânica desenvolvida no eixo do motor e a potência elétrica ativa que o motor consume. Sendo que o calculo do rendimento é descrito pela equação 1.

n(%) = (Psaida / Pentrada) x 100   (1)

Sendo assim, o fato de se ter perdas menores no motor caracteriza em uma produção da mesma potência mecânica com um menor consumo de potência de entrada que de um motor padrão. Logo, este é o princípio básico de construção dos motores de alto rendimento.

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Figura 3: Evolução Tecnológica dos motores elétricos. Fonte: [1]

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"O setor industrial brasileiro consome cerca de 40% da energia elétrica do país e 70% da energia utilizada na indústria é consumida por motores elétricos. Como iniciativa para redução do consumo de energia, em 2009 entrou em vigor a portaria nº 553, que estabelece níveis mínimos de rendimentos para máquinas e equipamentos." [1]

Dada a alta demanda por motores elétricos, surge uma necessidade do setor industrial de cada vez mais aumentar a eficiência energética das máquinas, minimizando o consumo, principalmente, de motores industriais. Em vista disso a engenharia se desenvolveu ao longo do tempo, em aspectos mecânicos, elétricos e de materiais, para que as perdas durante o processo de conversão de energia sejam cada vez menores. Dando como exemplo a Figura 3, que mostra que, em um intervalo de 56 anos, o rendimento dos motores evoluiu de 88% para 96,5%, representando assim um aumento percentual de 8,5% no rendimento das máquinas. Em se tratando de números absolutos uma evolução de 8,5% em mais de 50 anos pode não parecer de extrema valia, entretanto ao analisar-se um motor de 10 kW essa diferença representaria 850 W na potência entregue pelo motor que, quando escalado em um parque industrial de vários motores possibilitaria uma economia energética massiva.

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Figura 4: Funcionamento motor de indução. Fonte: [4]

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4. Principio de Funcionamento: Motores de alto rendimento

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4. Principio de Funcionamento: Motores de alto rendimento

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No que diz respeito ao princípio de funcionamento de um motor elétrico de alto rendimento, o mesmo ocorre de maneira idêntica ao funcionamento de máquinas elétricas de indução padrão. Sendo assim, o princípio de funcionamento se baseia na indução de corrente entre estator e rotor, atravessando a onda de fluxo da armadura de forma síncrona [3].
Cada uma das fases do motor de indução trifásico ao serem alimentadas com tensão trifásica, é responsável por produzir um campo pulsante no estator que quando somados resultam em um campo girante capaz de induzir uma força magnetomotriz no rotor, cujo o campo tende a se alinhar com o campo girante do estator, fazendo assim com que a máquina gire constantemente.
Dessa maneira essas máquinas produzem conjugado apenas quando a velocidade do rotor é diferente da velocidade síncrona. [3]

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Figura 5: Aspectos construtivos dos motores de alto rendimento. Fonte: Autores

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5. Aspectos Construtivos: Materiais e Aspectos Tecnológicos

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5. Aspectos Construtivos: Materiais e Aspectos Tecnológicos

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Conforme citado anteriormente diversos métodos são utilizados para a construção de motores de alto rendimento.

5.1.  Redução das perdas elétricas
O efeito Joule pode ser reduzido com a diminuição das resistências de rotor e estator. Para que isso ocorra aumenta-se a espessura e e quantidade de condutores presentes no enrolamento de rotor e estator.
A circulação das correntes de Foulcault pode ser limitado fazendo uso de chapas magnéticas mais finais e com melhor isolamento entre as chapas, bem como uso de materiais com alta resistividade.

5.2. Redução das perdas magnéticas
As perdas magnéticas podem ser reduzidas ao se utilizar chapas que compõem o rotor e o estator de qualidade elevada. Essas chapas devem ser de material de ferro que possuem uma permeabilidade magnética elevada e com ciclos de histerese de áreas reduzidas.

5.3. Redução das Perdas por Atrito e Ventilação
Conforme já dito anteriormente, um motor de alto rendimento é desenvolvido para que as perdas joulicas nos enrolamentos sejam mínimas. Logo, a dissipação de calor neste tipo de máquina será menor se comparado aos motores de indução convencionais. Dito isto, é possível elaborar um projeto de ventilação otimizado para possuir uma maior eficiência e, consequentemente, a potência demandada para ventilação da máquina será menor.
Ademais, pensando numa redução das perdas por atrito, os rolamentos das máquinas de alto rendimento são desenvolvidos com um menor coeficiente de atrito, em alguns casos, emprega-se tratamento térmico nos eixos da máquina para reduzir as perdas suplementares.

5.4. Otimização do Projeto Dimensional
A redução do entreferro de uma máquina de indução é fundamental para obtenção de um alto rendimento, uma vez que diminui a intensidade da corrente de magnetização e melhora o fator de potência da máquina. Logo, durante a produção de motores de alto rendimento emprega-se ferramentas de alta precisão para obter-se menores tolerâncias e reduzir as imperfeições no entreferro da máquina, visando otimizar o projeto dimensional e reduzir perdas.

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6. Normas aplicadas a rendimento de motores

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6. Normas aplicadas a rendimento de motores

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A norma NBR-17094 – Máquinas Elétricas Girantes – Parte 1: Motores de Indução Trifásicos - Requisitos define duas linhas padronizadas de rendimento para motores de indução de gaiola, trifásicos, com capacidade de operação contínua em condição nominal sem elevar a temperatura acima da calasse térmica especificada, para tensão até 1000 V e operação em 60 Hz.

As linhas IR2 e IR3 determinam o rendimento nominal de um motor de indução, sendo a primeira classe para motores de alto rendimento e a segunda para motores com rendimento premium.

Vale ressaltar que, em 2019 entrou em vigor uma lei que determina a classe IR3 como sendo o nível mínimo de rendimento para motores comercializados no Brasil, tornando-se assim um dos países pioneiros em adotar uma classe de rendimento mínima para motores trifásicos. Tal mudança propiciará um ganho energético, principalmente, na classe industrial, que é a que mais demanda energia no país através de motores.

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Figura 6: Cálculo do retorno de investimento. Fonte: [1]

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7. Comparativo entre motores padrão e de alto rendimento

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7. Comparativo entre motores padrão e de alto rendimento

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A busca por eficiência energética caminha junto das evoluções tecnológicas uma vez que o aumento do rendimento é responsável por otimizar e viabilizar os desenvolvimentos.  Nesse aspecto, a Figura  7 mostra um calculo  de retorno de investimento, realizado pela renomada fabricante de maquinas elétricas WEG, mostrando o tempo necessário para um retorno de capital quando se é trocado um motor convencional por um de alto rendimento. Tal cálculo indica que, a longo prazo, a busca por um melhor rendimento é responsável por uma economia financeira capaz de fazer com que novas áreas sejam fomentadas.
Nesse aspecto, motor de alto rendimento apresenta diversas vantagens em comparação aos motores padrão, dentre elas tem-se:

Redução do consumo de energia: Dado o exposto neste documento, o aumento do rendimento do motor faz com  que para uma mesma potência entregue seja  demandada uma menor potência consumida fazendo desse modo com que o consumo energético  seja menor.

Fator de potência elevado: Os aspectos construtivos da máquina, como abordado, levam as indutâncias presentes na estrutura do motor a possuírem valores menores. Sendo  o indutor um componente que consome potência reativa, a redução do mesmo proporciona uma diminuição do consumo de potência reativa na operação do motor que, mantendo o consumo de potência ativa constante, proporciona um aumento do fator de potência.

Prolongamento da vida útil: Dadas as mudanças nos enrolamentos do motor, como dito anteriormente,  o funcionamento  da máquina resulta em uma menor dissipação de  calor . Sendo assim, é natural que haja uma redução  na temperatura de operação do motor, fazendo com  que o motor persista mais contra o tempo. Ainda referente a vida útil, os aspectos construtivos da máquina fazem com que haja menor atrito no funcionamento,  atrito este que mecanicamente com o passar do tempo deteriora a máquina.

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[1] EFICIÊNCIA ENERGÉTICA. [S. l.], 2019. Disponível em: https://www.weg.net/institutional/BR/pt/solutions/energy-efficiency/efficiency-index. Acesso em: 10 dez. 2022.
[2] RENDIMENTO motor elétrico. [S. l.], 2019. Disponível em: https://aprendendoeletrica.com/o-que-e-rendimento-de-um-motor-eletrico/. Acesso em: 10 dez. 2022.
[3] FITZGERALD, A.E.; KINGSLEY Jr., C & UMANS, S.D.: Máquinas Elétricas, 7ª Edição, McGraw Hill, 2003.
[4] MOTOR assíncrono. [S. l.], 2021. Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_ass%C3%ADncrono. Acesso em: 10 dez. 2022.
[5] OS REQUISITOS normativos dos motores de indução trifásicos. [S. l.], 2018. Disponível em: https://revistaadnormas.com.br/2018/12/25/os-requisitos-normativos-dos-motores-de-inducao-trifasicos. Acesso em: 10 dez. 2022.
[6] MOTORES elétricos de alto rendimento. 2012. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Engenharia da Universidade de Porto, [S. l.], 2012. f. 93. Disponível em: https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/68328/1/000154264.pdf. Acesso em: 10 dez. 2022.
[7] IMPACTO da utilização de motores de alto rendimento e sua aplicação no leilão de eficiencia energética. 2012. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, [S. l.], 2012. f. 122. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3143/tde-14062013-150047/publico/Dissertacao_Fabio.pdf. Acesso em: 10 dez. 2022.
[8] MOTORES alto rendimento. [S. l.], 2021. Disponível em: http://www.agrotecnologica.pt/index.php/oferta-comercial/efici%C3%AAncia-energ%C3%A9tica/motores-de-alto-rendimento.html. Acesso em: 10 dez. 2022.