Motor eletrostático alcança a escala macro e pode chegar a 5 HP

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/08/2024

Primeira versão em escala industrial e pré-comercial do motor eletrostático, que alcança 0,5 HP.
[Imagem: Daniel Ludois Lab]

Motor eletrostático de "grande porte"

Engenheiros da Universidade do Wisconsin em Madison, nos EUA, acreditam ter tudo pronto para finalmente levar ao mercado os promissores motores eletrostáticos, cuja primeira versão eles apresentaram dez anos atrás - veja Novo motor transforma diretamente eletricidade em rotação.

Apesar de existirem vários tipos diferentes de motores elétricos, dos grandes motores industriais com suas dezenas de quilowatts até o motor de um relógio de pulso, com seus microwatts, todos funcionam com base no mesmo fenômeno físico: o eletromagnetismo. Esses motores elétricos convencionais funcionam usando um campo magnético rotativo, gerado por uma peça fixa chamada estator, que interage com o campo magnético de uma peça móvel, chamada rotor, fazendo com que esse rotor gire. A força envolvida aqui é chamada de força de Lorentz.

Mas existem também os motores eletrostáticos, que funcionam explorando uma força totalmente diferente, chamada força de Coulomb, a força atrativa ou repulsiva entre cargas elétricas opostas ou semelhantes.

Já existem motores eletrostáticos há muito tempo, mas todos equipamentos em miniatura, mal alcançando a faixa dos milímetros - minúsculos drones movidos a energia solar usam desses motores, assim como outros motores ultra miniaturizados, normalmente enquadrados na categoria dos MEMS (sistemas microeletromecânicos).

Agora, a equipe do professor Daniel Ludois conseguiu finalmente construir o primeiro motor eletrostático em macroescala, uma máquina que consegue gerar 0,5 HP (360 watts), o que o torna adequado para inúmeras aplicações, da robótica e dos eletrodomésticos às máquinas industriais de menor porte.

Estrutura interna do motor eletrostático.
[Imagem: Baoyun Ge et al. - 10.1109/TIA.2018.2871886]

Como funciona um motor eletrostático

Um motor eletrostático não precisa de enrolamentos de cobre e nem de ímãs. Sem dependência de elementos raros e caros, isso permite sua fabricação a um custo baixo. E, com menos peças, ele exige menos manutenção.

Fabricá-los grandes, contudo, é uma tarefa inglória porque a força eletrostática funciona melhor conforme as dimensões diminuem; por outro lado, quanto maior o motor, maior é a vantagem do eletromagnetismo.

Para vencer o desafio, a equipe usou discos de materiais não condutores, sobre os quais são depositados fios muito finos e bem espaçados, que têm como função irradiar a força para fora do centro do disco, como raios em uma roda de bicicleta. Aplicando-se cargas eletrostáticas precisamente cronometradas a esses raios criam-se duas ondas de energia, uma no estator e outra no rotor, gerando uma sequência de atração e repulsão entre os raios e fazendo o motor girar.

A diferença de fase entre as duas ondas de energia é controlada para maximizar o torque no rotor. E, para conseguir extrair torque suficiente para aplicações práticas, o motor eletrostático tem seis conjuntos de rotores e estatores, alternados e empilhados.

O espaçamento entre discos rotores e estatores é preenchido com um fluido orgânico desenvolvido pela equipe.
[Imagem: Baoyun Ge et al. - 10.1109/TIA.2018.2871886]

Hiato de ar

Outro grande problema dos motores eletrostáticos é, por assim dizer, o ar, o espaço interno do motor, que representa a separação entre as placas que devem se atrair e repelir para fazer o motor funcionar. A separação fica maior conforme o motor cresce, o que significa que a densidade de energia do motor eletrostático será muito menor do que a de um motor elétrico comum.

Para superar esse "hiato de ar", a equipe eliminou o ar, trocando-o por um fluido orgânico de baixa viscosidade e uma permissividade cerca de 20 vezes maior do que a do ar - permissividade é a capacidade de se polarizar em resposta a um campo elétrico. Um dielétrico com alta permissividade concentra o campo elétrico entre os eletrodos com cargas opostas, permitindo que mais energia seja armazenada no espaço entre eles.

Mantido o ar, o motor dificilmente teria uma utilidade prática. Com o novo dielétrico líquido, o protótipo gera até 18 newton metros de torque.

Para criar os campos elétricos intensos entre os discos rotores e estatores - cerca de 2.000 volts - a equipe lançou mão de uma eletrônica de potência disponível comercialmente, mas afirma estar de olho em avanços no campo, que prometem resultados ainda melhores para o motor no futuro próximo. A equipe já está trabalhando em uma versão de motor eletrostático de 1 HP (750 watts), mas acredita ser possível chegar aos 5 HP. Eles também fundaram uma empresa, a C-Motive Technologies, para comercializar seus motores.

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