Um motor elétrico transforma energia elétrica em movimento para girar o eixo de um ventilador, acionar uma bomba ou impulsionar um veículo. Na maior parte desses motores, a corrente elétrica e os campos magnéticos produzem a força que move o rotor.
Há motores de tamanhos e construções muito diferentes, desde os que cabem em um relógio até os que movem máquinas industriais. Eles podem receber energia de uma bateria ou da rede elétrica, girar continuamente ou produzir movimento em linha reta. Em alguns, escovas conduzem corrente à peça giratória. Em outros, o controle eletrônico dispensa esse contato.
Um motor também pode trabalhar no sentido inverso: ao receber movimento, passa a gerar eletricidade. É o que permite a um veículo recuperar parte da energia durante a frenagem regenerativa. As diferenças de alimentação, construção e controle explicam por que cada tipo de motor se ajusta melhor a determinadas tarefas.
Componentes
esquerda|miniatura|upright=0.88|alt=Rotor metálico cilíndrico à esquerda e estator circular bobinado à direita.|Estator fixo e rotor móvel formam as partes principais do circuito magnético.
No interior de um motor giratório, o rotor se move enquanto o estator permanece parado. O circuito elétrico e magnético reúne os ímãs de campoSão os ímãs ou eletroímãs que criam o campo magnético usado para fazer o rotor girar. e o induzido, distribuídos entre essas partes em um circuito magnético. Os ímãs podem ser eletroímãs ou ímãs permanentes. Seu campo atravessa o induzido, que geralmente ocupa o rotor quando os ímãs de campo ficam no estator. Há motores com a disposição inversa.
Rotor
O rotor faz o eixo girar quando seus condutores, ímãs permanentes ou peças ferromagnéticas interagem com o campo do estator.
Estator
Ao redor do rotor fica o estator, que pode abrigar ímãs permanentes ou eletroímãs feitos de fios enrolados em núcleos de ferro. Esse campo atua sobre o rotor, cuja construção pode ter enrolamentos, barras condutoras, peças ferromagnéticas ou ímãs permanentes. O núcleo do estator é composto de chapas finas de aço elétrico isoladas umas das outras, chamadas lâminasO núcleo é feito de muitas folhas de metal empilhadas. Em um bloco maciço, as correntes indesejadas teriam mais espaço para circular e produzir calor.. A escolha do aço considera sua permeabilidade magnética, sua histerese e o ponto em que satura. Empilhar chapas isoladas reduz as perdas por correntes parasitas, que seriam maiores em um núcleo maciço. Nos motores de CA ligados à rede, os fios do enrolamento costumam ser imobilizados por impregnação a vácuo com vernizRetira-se o ar entre os fios e aplica-se verniz isolante, que os prende no lugar depois de secar.. O verniz impede que os fios vibrem uns contra os outros e desgastem o isolamento. Em motores encapsulados em resina, usados em bombas submersíveis de poços profundos, máquinas de lavar e aparelhos de ar-condicionado, o estator é envolvido por resina plástica para evitar a corrosão ou reduzir o ruído transmitido pela estrutura.
Entreferro
Entre a parte fixa e a parte giratória há um pequeno espaço chamado entreferro. Se ele for largo demais, pode ser necessária mais corrente para estabelecer o campo magnético. Se for estreito demais, pequenas diferenças de fabricação podem fazer as peças roçarem e produzirem ruído.
Induzido esquerda|miniatura|upright=0.88|alt=Rotor com polos projetados radialmente de um núcleo central.|No rotor de polos salientes, as projeções magnéticas se voltam para o estator.
Nos motores CC com escovas, os enrolamentos do induzido ficam no rotor, sobre um núcleo ferromagnético. A corrente que passa pelos fios encontra o campo do estator e produz a força de giro chamada torque. Em outros motores, o campo e o induzido ocupam posições diferentes.
Os polos magnéticos podem formar projeções no núcleo, como dentes voltados para a outra parte do motor. Nesse caso, a máquina tem polos salientes. O fio passa ao redor de cada projeção, que se torna um polo norte ou sul quando a corrente circula. Na máquina de polos não salientes, chamada também de campo distribuído ou rotor cilíndrico, os fios ocupam ranhuras ao longo de um núcleo cilíndrico lisoAs ranhuras são canais na superfície do núcleo por onde passam os fios do enrolamento.. A corrente alternada nesses enrolamentos faz os polos do campo magnético girarem continuamente. No motor de polos sombreados, um enrolamento em parte do polo atrasa a fase de seu campo magnético.
Comutador
Em um motor com escovas, o comutador alimenta o rotor enquanto gira com ele. Seus segmentos metálicos formam um cilindro e se ligam aos enrolamentos do induzido. Escovas de material condutor macio, como carbono, deslizam sobre os segmentos. Esse contato muda a corrente nas bobinas no momento necessário para manter a força de giro no mesmo sentido. Em um modelo simples de dois polos, a força mudaria de sentido depois de meia volta se a corrente não fosse invertida. Para muitas tarefas, usam-se motores sem escovas ou de indução, que dispensam esse comutador.
Eixo O eixo sai da carcaça para transmitir a rotação à máquina acionada. Se uma polia ou outra peça faz força na parte que fica além do último rolamento, o eixo recebe uma carga em balançoÉ a força exercida sobre a parte do eixo que fica para fora do último rolamento, como acontece quando uma polia puxa o eixo..
Rolamentos
Os rolamentos sustentam o eixo enquanto ele gira e transferem à carcaça as forças que o empurram de lado ou ao longo de seu comprimento. Essas forças recebem os nomes de cargas radiais e axiaisA força axial empurra ou puxa ao longo do eixo. A radial atua de lado, em direção perpendicular a ele..
História
Primeiros motores direita|miniatura|upright=0.88|alt=Desenho histórico do fio suspenso girando ao redor de um ímã em recipiente com mercúrio.|Em 1821, Faraday demonstrou a conversão da corrente elétrica em movimento circular. Muito antes dos motores magnéticos, a atração e a repulsão entre cargas elétricas moviam pequenos aparelhos. Essa força é chamada eletrostáticaÉ a atração ou repulsão entre objetos eletricamente carregados. Esses primeiros modelos não dependiam de um campo magnético girante.. Ela movia os aparelhos experimentais do monge escocês Andrew Gordon na década de 1740McInally, Tom. The Sixth Scottish University: The Scots Colleges Abroad, 1575 to 1799. Leiden: Brill, 2012, p. 115.Jefimenko, Oleg D. Electrostatic Motors, Their History, Types, and Principles of Operation. Electret Scientific Company, 1973, pp. 22–45. e os que Benjamin Franklin construiu na década de 1750. Henry Cavendish encontrou em 1771 a relação entre essas forças e a distância, mas não a publicou. Charles-Augustin de Coulomb chegou à mesma relação de forma independente em 1785 e a divulgou como a lei de Coulomb. Como era difícil produzir as altas tensões necessárias, esses motores ficaram restritos a experiências.
Com a pilha de Volta, inventada por Alessandro Volta em 1799, tornou-se possível manter a corrente elétrica por mais tempoAs pilhas podiam manter a corrente por algum tempo, sem exigir uma nova descarga elétrica a cada movimento.. Quando Hans Christian Ørsted fez a corrente elétrica desviar uma agulha magnética em 1820, abriu um caminho para criar movimento por eletricidade. Poucas semanas depois, André-Marie Ampère relacionou a corrente, o campo magnético e a força mecânica na lei que leva seu nome.
No porão da Royal Institution, Michael Faraday fez uma corrente elétrica produzir movimento circular em 3 de setembro de 1821. Ele suspendeu um fio com a ponta mergulhada em mercúrio ao lado de um ímã permanente. Quando a corrente passava, o fio girava ao redor do ímã por causa do campo magnético ao seu redor. Faraday publicou os resultados no Quarterly Journal of Science e enviou exemplares do artigo e pequenos modelos do aparelho a colegas de outros países. A roda de Barlow seguiu a mesma ideia. Esses motores homopolares ainda levariam décadas para encontrar aplicação prática.
O "autorrotor eletromagnético" de Ányos Jedlik já reunia rotor, estator, eletroímãs e comutador no fim da década de 1820. Jedlik divulgou seu trabalho muitos anos depois, e a data exata da construção permanece incerta. Nesse aparelho, até o campo que movia o rotor vinha de eletroímãs, sem ímãs permanentes.
Motores de corrente contínua
William Sturgeon mostrou publicamente um dispositivo elétrico rotativo em 1833, possivelmente construído no ano anterior. A data de sua construção é incerta, assim como a alegação de que Sturgeon teria inventado o motor CC com comutador. Mais tarde, Thomas e Emily Davenport construíram um motor CC com a colaboração de Orange Smalley. Emily anotava os experimentos e sugeriu usar mercúrio como contato elétrico no primeiro motor com comutação. Em julho de 1834, os três conseguiram fazer um modelo girar por si mesmo. Thomas recebeu a patente norte-americana n.º 132 em 1837. Em 1840, um de seus motores acionou a impressora de um pequeno jornal. As pilhas custavam caro e faltava dinheiro para desenvolver a invenção. Em 1842, Thomas voltou a trabalhar como ferreiro.
esquerda|miniatura|upright=0.88|alt=Desenho histórico do motor elétrico de Jacobi, com conjuntos de eletroímãs em torno de um eixo.|O projeto de Jacobi mostra a busca por torque suficiente para acionar uma carga útil no século XIX. Enquanto outros aparelhos ainda produziam pouco movimento, Moritz von Jacobi construiu em maio de 1834 um motor rotativo capaz de realizar trabalho útil. Em setembro de 1838, seu projeto seguinte superou a potência do primeiro. Com ele, um barco levou 14 pessoas através de um rio. Outros motores alcançaram e depois superaram esse desempenho entre 1839 e 1840.
direita|miniatura|upright=0.88|alt=Máquina elétrica histórica de Gramme exposta em um museu, com estrutura de metal e bobinas.|As máquinas de Gramme ajudaram a demonstrar que a conversão eletromecânica podia ocorrer nos dois sentidos. A armadura em anel que Antonio Pacinotti apresentou em 1864 tinha bobinas dispostas em torno de um círculo e ligadas aos segmentos de um comutador. Pensada inicialmente para um gerador CC, fornecia pelas escovas uma corrente quase sem oscilações. Zénobe Gramme retomou o projeto de Pacinotti em 1871 e combinou suas ideias com soluções de Werner von Siemens. Os motores CC resultantes encontraram uso comercial.
O fato de uma máquina elétrica poder funcionar como motor ou gerador, chamado reversibilidadeUma mesma máquina pode usar eletricidade para mover um eixo ou receber movimento do eixo para gerar eletricidade., foi formulado por Emil Lenz em 1833. Em um experimento publicado em 1838, ele fez um gerador trabalhar como motor. Na Exposição Universal de 1873, em Viena, Gramme ligou duas máquinas: uma gerava a eletricidade que fazia a outra girar.
Na Siemens & Halske, Friedrich von Hefner-Alteneck trocou a armadura em anel de Pacinotti por um rotor em tambor em 1872. A mudança melhorou a eficiência. A empresa passou a usar um rotor laminado no ano seguinte, reduzindo perdas no ferro e elevando a tensão induzida. Em 1880, Jonas Wenström abriu ranhuras no rotor para receber os fios.
Um sistema de bondes movido por motores CC aperfeiçoados por Frank Julian Sprague começou a operar em Richmond, Virgínia, em 1888. Em 1892, fundou a Sprague Electric Elevator Company para desenvolver elevadores elétricos. Na ferrovia elevada de Chicago, a South Side Elevated Railroad substituiu a tração a vapor por carros elétricos em 1898. Com o controle desenvolvido por Sprague, um operador podia comandar os motores e os freios de todos os carros do trem.
O automóvel elétrico La Jamais Contente, projetado por Camille Jenatzy e equipado com dois motores, foi o primeiro veículo rodoviário a superar 100 km/h, em 29 de abril de 1899.