Macaco de fuso: como um motor pequeno levanta 10 toneladas

Um macaco de fuso é um parafuso grande (o fuso) girando dentro de uma porca. O motor gira o fuso, a porca sobe ou desce, e leva a carga junto.

• Motor: gira rápido, uns 1700 rpm, com pouca força.
• Redutor: diminui a rotação e aumenta a força.
• Fuso: transforma giro em subida.
• Porca de segurança: uma segunda porca. Se a primeira gastar, a segunda segura e avisa.

Os números desta aula são de exemplo, parecidos com os de uma máquina de verdade. Os desenhos são nossos.

Todo motor tem uma plaqueta de metal, que é a identidade dele. Esta é de exemplo, de um motorredutor (motor e redutor juntos):

campo	valor	o que quer dizer
kW	0,25	potência que sai no eixo do motor
ne	1700 rpm	rotação do motor (entrada)
na	17 rpm	rotação na saída do redutor
i	100	redução
Ma	84 N·m	torque na saída do redutor
V	220/380	pode ligar em 220 V ou em 380 V
A	1,20/0,69	corrente em 220 V / em 380 V
cosφ	0,74	fator de potência
Ip/In	4,5	na partida puxa 4,5 vezes a corrente normal
IP	55	protegido contra pó e jato d'água

Conta 1 · a redução. O motor dá 100 voltas para a saída dar 1:

i = ne / na = 1700 / 17 = 100        bate com o "i" da plaqueta ✓

Conta 2 · o rendimento do redutor. Quanto torque sairia se o redutor não perdesse nada?

ω = 2π · na / 60 = 2 × 3,1416 × 17 / 60 ≈ 1,78 rad/s
T ideal = P / ω = 250 / 1,78 ≈ 140 N·m

a plaqueta diz 84 N·m, então
η = Ma / T ideal = 84 / 140 = 0,60        (60%)

Por que perde 40%? Muito redutor por dentro é um sem-fim: um parafuso que empurra os dentes de uma roda, a coroa. Ele escorrega e esquenta, e isso é energia perdida. Mas tem um lado bom: trava sozinho. A roda não consegue girar o parafuso de volta. Para um macaco, isso é segurança.

Conta 3 · a corrente confere? O √3 aparece porque o motor é trifásico:

P elétrica = √3 · V · I · cosφ
1,732 × 220 = 381,0
381,0 × 1,20 = 457,2
457,2 × 0,74 ≈ 338 W

puxa 338 W da rede e entrega 250 W no eixo:
η motor = 250 / 338 ≈ 0,74        (74%)

Conta 4 · por que 220 e 380 têm correntes diferentes:

1,20 / 0,69 ≈ 1,74 ≈ √3 ✓

a mesma potência, com mais tensão, precisa de menos corrente

Conta 5 · a partida:

Ip = (Ip/In) × In = 4,5 × 1,20 = 5,4 A     por um instante, ligado direto

Com inversor de frequência, o motor parte suave e esse pico quase some. É a mesma conversa da aula 08.

O disjuntor-motor tem faixa de ajuste, e a corrente da plaqueta precisa caber dentro dela.

o que eu fiz: achar que disjuntor maior é mais seguro.

faixa 0,63 a 1 A    não, pequeno demais
faixa 1 a 1,6 A     sim ✓   ajusta em 1,2 A
faixa 10 a 16 A     não, nunca desarmaria

Disjuntor grande demais não desarma quando o motor esquenta. O motor queima e ninguém percebe. O certo é ajustar perto da corrente da plaqueta.

passo 1 · a força
F = m · g = 10.000 × 9,8 = 98.000 N

passo 2 · o torque no fuso     L = passo = 12 mm = 0,012 m · η fuso = 0,3
T = F · L / (2π · η) = 98.000 × 0,012 / (2 × 3,1416 × 0,3)
T = 1.176 / 1,885 ≈ 624 N·m

passo 3 · trava sozinho?
autotravante quando η < 0,5   →   0,3 < 0,5 ✓ a carga não desce sozinha

passo 4 · o preço da força
250 × 0,60 × 0,30 = 45 W chegam na carga
v = 45 / 98.000 ≈ 0,00046 m/s ≈ 28 mm por minuto

Esse é o preço. Um motor pequeno levanta 10 toneladas, mas bem devagar. Quer subir mais rápido? Precisa de mais potência. Não tem mágica: potência é força vezes velocidade.

E o rendimento baixo do fuso, que parece defeito, é o que segura a carga no lugar quando a energia acaba.

A parte de segurança é um caminho em série. A corrente só chega no comando se passar por todas as portas. Uma aberta, e tudo para.

• Contato NF (normalmente fechado): a segurança usa esse. Se um fio romper, o circuito abre e a máquina para. Com NA, um fio rompido passaria despercebido. É a mesma armadilha da aula 07.
• Dois canais: o relé de segurança lê cada botão por dois fios. Se um der curto, ele percebe.
• Reset: depois de uma emergência, a máquina não volta sozinha. Alguém olha e aperta reset.

Quando duas colunas levantam a mesma peça, elas têm que subir iguais. Se uma subir mais, a peça entorta. Um sensor indutivo (vê metal sem encostar) conta as voltas do fuso: cada volta é um pulso, e cada pulso é um passo de subida.

Δh = (N1 − N2) · L = (120 − 114) × 12 = 6 × 12 = 72 mm

Se o limite for 10 mm, 72 mm é muito: o comando para a coluna que está na frente até a outra alcançar.

DJ / DJM   disjuntor / disjuntor-motor, desarma acima do ajuste
K          contator: uma chave grande que uma bobina pequena fecha
KA         relé auxiliar: um contator pequeno, só de comando e sinal
SE         botão de emergência (cogumelo vermelho)
FC         fim de curso: chave que a própria máquina aperta no limite
SI         sensor indutivo
NA / NF    contato normalmente aberto / normalmente fechado

Torre de luz: verde pronta, amarelo falha, vermelho em movimento. As cores podem mudar de máquina para máquina, e vale o que está escrito no painel.