Em 1831, tanto Michael Faraday, no Reino Unido, como Joseph Henry, nos Estados Unidos, demonstraram cada um a seu modo, mas ao mesmo tempo, a possibilidade de transformar energia mecânica em energia elétrica.
Os geradores usados na indústria são baseados no mesmo princípio empregado por Faraday e Henry: a indução magnética. O gerador de Faraday consistia num disco de cobre que girava no campo magnético formado pelos polos de um ímã de ferradura e produzia corrente contínua. Um ano depois, outro pesquisador obteve corrente alternada valendo-se de um gerador com ímãs e enrolamento de fio numa armadura de ferro.
As máquinas elétricas foram desenvolvidas em ritmo acelerado, devido principalmente aos trabalhos de Antonio Pacinotti, Zénobe Gramme, que introduziu o enrolamento em anel, e de Werner Siemens, que inventou o enrolamento em tambor até hoje empregado. Somente cerca de 50 anos depois das experiências de Faraday e Henry foram obtidos geradores comercialmente aproveitáveis. Devem-se tais conquistas às contribuições de Thomas Edison, Edward Weston, Nikola Tesla, John Hopkinson e Charles Francis Brush.
No fim do século XIX, a invenção da lâmpada elétrica e a instalação de um sistema prático de produção e distribuição de corrente elétrica contribuíram para a rápida evolução dos geradores e motores elétricos. A partir de pequenos geradores, simples aparelhos de pesquisa em laboratório, foram construídos alternadores e dínamos de pequena potência e, finalmente, gigantescos geradores.
O gerador elétrico mais simples é formado por uma espira plana com liberdade suficiente para se mover sob a ação de um campo magnético uniforme. Essa espira gira em torno de um eixo perpendicular à direção das linhas de força do campo magnético aplicado. A variação do valor do fluxo que atravessa a espira móvel induz nela uma força eletromotriz.
Assim, a força eletromotriz resulta do movimento relativo que há entre a espira e o campo magnético. A corrente produzida desse modo é alternada. Para se obter corrente contínua, é preciso dotar o gerador de um dispositivo que faça a retificação da corrente, denominado coletor dos dínamos. Pela descrição do princípio de funcionamento dos geradores, vê-se que possuem dois circuitos distintos: o do induzido e o do indutor. No caso do gerador elementar descrito, o induzido seria a bobina móvel e o indutor o campo magnético.
Os geradores podem ser divididos numa enorme quantidade de tipos, de acordo com o aspecto que se leve em conta. Além dos dois grupos mais gerais – geradores de corrente contínua e de corrente alternada -, os dínamos podem ser, quanto ao número de polos, dipolares e multipolares; quanto ao enrolamento do induzido, podem ser em anel e em tambor; quanto ao tipo de excitação, auto-excitados e de excitação independente.
O enrolamento em anel adotado por Gramme está praticamente em desuso. O enrolamento induzido consiste num cilindro oco em torno do qual se enrola continuamente o fio isolado que constitui a bobina. O enrolamento em tambor, inventado por Siemens, consiste num cilindro em cuja superfície externa estão dispostas as bobinas do induzido.
Essas bobinas são colocadas em ranhuras existentes na superfície do tambor, sendo suas duas pontas soldadas às teclas do coletor. Conforme a maneira como é feita essa ligação, os enrolamentos são classificados em imbricados e ondulados e podem ser regressivos ou progressivos.
A corrente para a excitação do campo magnético pode ser fornecida pelo próprio gerador. Nesse caso, diz-se que o gerador é auto-excitado. Quando a corrente para a excitação é fornecida por uma fonte exterior, o gerador é de excitação independente. De acordo com a forma de ligação entre as bobinas do indutor e do induzido nos geradores auto-excitados, diz-se que estes têm excitação dos tipos:
Analogamente aos dínamos, os alternadores podem ter enrolamento imbricado ou ondulado. Podem ainda ter enrolamento em espiral e em cadeia. Naquele, as bobinas de um mesmo grupo são ligadas de tal maneira que o bobinamento final tem forma de espiral. Quanto ao número de fases, os alternadores podem ser monofásicos, difásicos e trifásicos. Os geradores monofásicos são atualmente muito raros, já que a corrente monofásica pode ser obtida a partir de geradores trifásicos.
Ainda se podem citar alguns tipos especiais de dínamos de uso relativamente reduzido: o unipolar ou homopolar, o gerador de três escovas e o de polo diversor. Em linhas gerais, a construção de dínamos é semelhante à dos alternadores. A principal diferença está no coletor segmentado para retificação da corrente gerada no induzido. Esse dispositivo é inexistente nos alternadores, já que, nesse caso, não há necessidade de se ter uma retificação da corrente gerada.
A outra diferença marcante está no campo indutor. O dínamo emprega o sistema de campo estacionário, enquanto o alternador é quase sempre de campo giratório. Isso torna possível a obtenção de maior potência elétrica, reduz a necessidade de manutenção para assegurar o bom contato entre escovas e anéis coletores e requer meios mais simples para fazer a ligação com o circuito externo.
O dínamo é formado das seguintes partes principais: carcaça, núcleo e peças polares, núcleo do induzido ou armadura, induzido, coletor, escovas, porta-escovas, eixo e mancais. A carcaça é o suporte mecânico da máquina e serve também como cobertura externa. É normalmente construída de aço ou ferro fundido. Os polos são feitos de aço-silício laminado, para reduzir ao máximo as perdas por corrente de Foucault, e as bobinas de campo são de fios de cobre. A armadura, peça que aloja as bobinas do induzido, é de aço laminado e possui condutores internos por onde se faz o resfriamento da máquina.
O coletor consiste numa série de segmentos de cobre ou bronze fosforoso, isolados entre si por finíssimas lâminas de mica, que têm a forma externa perfeitamente cilíndrica. Ao coletor são soldados os terminais das bobinas do induzido. As escovas, órgãos que coletam a corrente retificada no coletor, são de carvão e grafita ou metal e grafita. O porta-escovas é a armação metálica que mantém ajustadas as escovas de encontro ao coletor.
Os mancais mais usados são os do tipo de luva, lubrificados por óleo, ou então do tipo de esferas ou rolamentos lubrificados a graxa. No alternador, não existe o coletor. Quando o induzido é giratório, as escovas fazem contato com anéis coletores, a partir das quais a corrente alternada gerada é transferida para o circuito externo.
Quando, ao contrário, o induzido é estacionário (caso mais frequente), o papel dos anéis coletores e escovas é conduzir a corrente contínua necessária para a excitação do campo girante. Nos alternadores de grande porte é comum a instalação, no mesmo eixo do rotor das máquinas, de um gerador de corrente contínua de menores proporções (denominado excitatriz) para o fornecimento dessa corrente.
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