UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECANICA CARACTERIZAÇÃO DE ESCOVAS DE GRAFITE E AVALIAÇÃO DO SEU DESEMPENHO EM FUNÇÃO DA MICROESTRUTURA Dissertação submetida à UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE como parte dos requisitos para a obtenção do grau de MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA Aldo Nonato Borges ORIENTADORES Prof. Rubens Maribondo do Nascimento, Dr. Eng. Prof. Antonio Eduardo Martinelli, Ph.D Natal RN Junho 2007

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA CARACTERIZAÇÃO DE ESCOVAS DE GRAFITE E AVALIAÇÃO DO SEU DESEMPENHO EM FUNÇÃO DA MICROESTRUTURA Aldo Nonato Borges Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA sendo aprovada em sua forma final. BANCA EXAMINADORA Prof. Rubens Maribondo do Nascimento, Dr. Eng. - UFRN Presidente Prof. Antonio Eduardo Martinelli, Ph.D UFRN Prof. Carlos Alberto Paskocimas, DSc. - UFRN Prof. Antonio Carlos Pereira Santos, DSc. - CEFET/Ba

A busca por melhores condições de agir, pensar, fazer, crescer, viver nos torna cada vez mais Homens insaciáveis. Acredito que desta forma a minha vida terá sempre continuidade neste túnel onde vejo a luz no final e ainda não consegui alcançar. Aldo Nonato Borges

DEDICATÓRIAS Aos meus pais Edwiges e Acidalia (em memorium), aos filhos Paterson, Patrese, Sara e Aldo Jr. E a minha esposa Nivaldina Dedico este trabalho como resposta ao estimulo que todos me dão ao longo de cada etapa da minha vida.

AGRADECIMENTOS Aos meus colegas Sandro Gonçalves, Rodrigo Pascini, Paulo Felix, pelo grande apoio durante a execução deste trabalho... Aos meus orientadores Professores Rubens Maribondo e Antonio Martinelli que contribuíram e incentivaram durante todas as etapas de evolução deste trabalho.. À instituição CEFET-BA por proporcionar este convenio com a UFRN oportunizando a mim e demais colegas Professores a realização deste mestrado. A instituição UFRN representada por todos os professores do mais alto gabarito o conhecimento necessário para o desenvolvimento de todos os mestrandos. A empresa USIBA a qual trabalho por oportunizar evolução dos experimentos deste trabalho

SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO...15 2 OBJETIVOS...17 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...18 2.1 MOTOR ELÉTRICO...18 2.2 ESCOVAS ELÉTRICAS...20 2.2.1Fabricação...20 2.2.2 Tipos de Escovas...20 2.2.3 Propriedades...22 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL...35 3.1 Materiais... 35 3.2 Densidade de corrente... 39 3.3 Formação de pátina e desgaste do comutador... 41 3.4 Desgaste das escovas... 43 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES... 44 4.1 Caracterização das escovas... 47 4.2 Densidade de corrente... 57

4.3 Formação de pátina e desgaste do comutador... 59 4.4 Fenômenos... 61 5 CONCLUSÕES...... 64 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS...67

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Motor de Corrente Contínua com 2 pólos...19 Figura 2: Princípio de funcionamento de motores)...19 Figura 3: Demonstração de teste de resistência mecânica...25 Figura 4: Gráfico de desgaste das escovas x Velocidade periférica...27 Figura 5: Gráfico de Coeficiente de atrito x Temperatura...29 Figura 6: Demonstração do método de medição da pressão na escova...30 Figura 7: Desgaste da escova em função da variação na pressão que ela sofre...32 Figura 8: Dimensional da escova...36 Figura 9: Foto da escova do tipo AMOSTRA 2...36 Figura 10: Visualização do gráfico de velocidade (RPM) dos motores das gaiolas do Laminador Software IbaAnalyzer Versão 1.0...40 Figura 11: Visualização do gráfico de corrente (A) dos motores das gaiolas do Laminador - Software IbaAnalyzer Versão 1.0...40 :Figura 12: Parâmetro de aceitabilidade para formação de pátina......42 Figura 13: Parâmetro de aceitabilidade para desgaste do comutador.............42 Figura 14: Micrografia da microestrutura da escova AMOSTRA 1 - Imagem obtida por BSE...45 Figura 15: Análise química por EDS dos pontos indicados na Figura 14...47 Figura 16: Microestrutura da escova AMOSTRA 2 - Imagem obtida por BSE...49 Figura 17: Análise química por EDS...51 Figura 18: Análise de imagem para quantificação de porosidade da "AMOSTRA 1"...........52 Figura 19: Porosidade para AMOSTRA 2.............53 Figura 20: Dureza na amostra 1.............54

9 Figura 21: Ensaio de dureza na escova tipo AMOSTRA 2.............55 Figura 22: Foto da pátina do comutador com a escova AMOSTRA 1 em operação...59 Figura 23: Foto da pátina do comutador com a escova AMOSTRA 2 em operação...59 Figura 24: Sistema de registro de inspeção de manut. do motor 10...60 Figura 25: Gráfico de desgaste das escovas AMOSTRA 2 por anel...62 Figura 26: Gráfico de desgaste das escovas AMOSTRA 2 por tirante...63

10 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Classificação de queda de tensão...29 Tabela 2: Faixas adequadas de pressão na escova dependendo da aplicação...32 Tabela 3: Faixas de trabalho de temperatura das escovas para cada aplicação...33 Tabela 4: Comparativo de propriedades eletro-mecânicas entre classes de escovas...34 Tabela 5: Tabela de equivalência de durezas (norma SAE J-417b)...37 Tabela 6: Dados técnicos dos motores onde as escovas em teste são usadas...40 Tabela 7: Formulário para medição da dureza Brinell...55 Tabela 8: Análise comparativa microestrutura e dureza...56 Tabela 9: Dados de carga dos motores retirados após período de observação...56 Tabela 10: Medição de desgaste mensal das duas classes de escovas...60 Tabela 11: Comparativo estatístico dos desgastes das classes de escovas...61

11 LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES ºC grau Celsius Ω - Ohm A - ampére A/cm2 ampére por centímetro quadrado C.C. corrente contínua cm - centímetro g/cm2 grama por centímetro quadrado g/cm3 grama por centímetro cúbico HB dureza Brinell kg quilograma kgf/cm2 quilogramaforça por centímetro quadrado kw - quilowatt mm milímetro m/s metros por segundo mw miliwatt W Watt

12 RESUMO A energia elétrica pode ser reconvertida em energia térmica, luminosa, eletromagnética, e também em energia mecânica. Neste contexto os motores elétricos desempenham papel fundamental, em específico os motores elétricos de corrente continua que trabalham muito abaixo da sua capacidade nominal, com conseqüente baixa densidade de carga. Em ambiente industrial, estas características de trabalho dos motores CC geraram um consumo excessivo de escovas de carvão e também ataque no comutador, reduzindo a vida útil do motor, aumentando as horas de manutenção e o custo. O objetivo geral do presente trabalho é caracterizar os diferentes tipos de escovas de grafite utilizados em motores de corrente contínua e avaliar seu desempenho em função do processamento a que foi submetido durante sua fabricação, assim como determinar os ganhos mensuráveis e não mensuráveis quando a escova utilizada é a mais adequada à aplicação. As escovas foram produzidas por indústrias do setor e testadas em ambiente industrial, quanto ao seu desempenho e desgaste. Resultados preliminares evidenciam uma substancial alteração no desempenho destas escovas e no seu desgaste em função da sua microestrutura e da aplicação na qual é utilizada. Palavras-chave: Grafite, escova, porosidade

13 ABSTRACT The electric can be converted into thermal, luminous, electromagnetic, and also in mechanical energy. In this context the electric engines plays a fundamental role, specially that they work very below of its nominal capacity, with consequent decrease load density. In industrial environment, these characteristics of work of DC engines had also generated an extreme consumption of coal brushs and attack in the commutator reducing the useful life of the engine and increasing maintenance demand and cost. The general objective of the present work is to study the influence of the granulometry of the coal brush used in DC engines with the resistance to the consumption of the same ones, as well as in the performance presented by the commutator of the engine. Additionally, determining the measurable and not measurable profits when the brush used is adjusted to the application. The brushes had been produced by an industry of the sector and tested in industrial environment to evaluate their performance and consumption. Preliminary results evidence a substantial improvement in the performance of these brushes in function of its microstructure and the application in which it is used. Keywords: Graphite, brush, porosity

15 1 INTRODUÇÃO Em algumas máquinas elétricas (por exemplo, motores de indução gaiolas de esquilo ) a parte rotativa é completamente independente, na maioria das máquinas elétricas rotativas, há a necessidade de alguma conexão elétrica com a parte girante. Para permitir a contínua rotação da parte girante, esta conexão deve permitir um movimento deslizante. Assim, os primeiros problemas da escova de carbono, comum a todos os tipos de máquinas elétricas, é a dificuldade mecânica em manter contato contínuo com a parte girante da máquina e evitar os arcos elétricos e carbonizações decorrentes da interrupção do circuito elétrico. Várias pesquisas já foram realizadas (S.C. Ho, J.H. Chern Lin, C.P. Ju, Elsevier, 2004 e X. Liao, H.A. Oye, Elsevier, 1995), sobre as propriedades físico-químicas dos materiais a base de carbono, bem como as alterações que essas propriedades sofrem em certas condições. M. Milkovic, e D. Ban, mostraram em trabalho publicado em 1996, Influence of the pulsating current amplitude on friction coefficient of electrographite of electrographite brushes (MILKOVIC, M.; BAN, D, Elsevier, 1996) através de um modelo experimental realizado em um laboratório, como o coeficiente de fricção de uma escova eletrografítica depende das diferentes amplitudes dos pulsos de corrente elétrica que ela conduz. Enfim, grande parte dos estudos científicos das aplicações de compostos de carbono, mostra modelos e experimentos sobre suas propriedades físico-químicas bem como os fatores que oferecem influência nessas propriedades. Para qualquer aplicação, portanto, de um material à base de um composto de carbono, é necessário conhecer o significado de suas propriedades e as influências que elas sofrem em determinadas condições. Verificou-se ao longo dos anos no setor de manutenção de uma empresa siderúrgica no estado da Bahia, que os motores elétricos de corrente continua trabalham muito abaixo da sua capacidade nominal, com conseqüente baixa densidade de carga, face à alterações no processo ao longo dos anos. Com isto, iniciou-se um consumo excessivo de escovas de carvão e também ataque no comutador reduzindo a vida útil do motor, aumento de horas de manutenção e custo. O custo elevado de manutenção, a grande demanda de intervenções planejadas para manutenção preventiva e o aumento do risco operacional, são fatores que, com certeza, compõem um cenário que precisa ser investigado e solucionado.

16 Contextualizando o problema, atualmente esta planta possui 18 horas mensais destinadas a manutenção programada dos seus equipamentos. Para se ter uma idéia, o tempo demandado de manutenção programada para cada motor de CC em operação é de 2h / mês. A necessidade de intervenção após o início dos fenômenos de desgaste excessivo praticamente triplicou. Como são 9 motores enquadrados neste fenômeno, em constante operação, o tempo demandado para paradas programadas de manutenção também elevou-se na mesma proporção. Como a área de manutenção tem metas de parada programada de manutenção para cumprir, tem-se dois cenários. Ou eleva-se o tempo disponível para paradas programadas e é realizada a manutenção adequada, ou cumpre-se o prazo atual de paradas programadas, porém o risco operacional aumenta. Sendo a indústria siderúrgica um setor produtor de commodities, e com um custo alto de capital (máquinas e estruturas caras), ela necessita de alto volume de produção para cobrir seus custos fixos de operação. Dessa forma houve a necessidade imediata do estudo do desgaste excessivo das escovas de carvão dos motores de corrente contínua. Uma possível solução para um caso como este, é a mudança da classe da escova, de acordo com a carga empregada e o regime de operação das máquinas. Para isto é necessário que haja o conhecimento dos tipos de escovas de motores de corrente contínua, bem como suas características físico-químicas, além das aplicabilidades do material. A importância da operação contínua dos equipamentos representa para empresa, seus acionistas e empregados a garantia de atendimento ao cliente, gerando com isso benefícios para toda a comunidade. Na indústria metal-mecânica motores elétricos de corrente contínua de acionamento de máquina pesadas são empregados largamente. Em função da baixa densidade de carga muitas vezes as escovas de carvão apresentam desgaste excessivo onerando os custos de produção e manutenção. Estudos realizados entre usuários de escovas e fabricante envolvendo as variáveis da densidade de carga e classes das escovas, permitiram obter um conjunto em condição altamente adequada ao uso. Reduções nos custos de novas escovas, tempo de manutenção, desgaste com aumento de desempenho do comutador são evidentes neste trabalho. Dessa forma, uma avaliação através de estudo detalhado quanto à sua aplicabilidade nos equipamentos deve ser feita. Geralmente, na indústria metal-mecânica, diversos outros equipamentos encontram-se na mesma necessidade, porém, falta a seus mantenedores, conhecimento técnico específico sobre materiais alternativos que possam trazer os ganhos supracitados.

17 2 OBJETIVOS O objetivo geral do presente trabalho é estudar a influência das características da escova utilizada em motores de corrente contínua na resistência ao desgaste das mesmas, bem como a performance apresentada pelo comutador. Determinar os ganhos mensuráveis e não mensuráveis quando a escova aplicada é a mais adequada. Como objetivos específicos para o trabalho destaca-se: a) Caracterizar a microestrutura das diferentes escovas de carvão utilizadas; b) Relacionar a classe e a microestrutura das escovas com o desgaste das mesmas em serviço; c) Avaliar qual das escovas que apresente o melhor desempenho nas máquinas de corrente contínua com baixa densidade de carga.

18 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 MOTOR ELÉTRICO O motor é um elemento de trabalho que converte energia elétrica em energia mecânica de rotação. Num motor elétrico, distinguem-se essencialmente duas peças: o estator, conjunto de elementos fixados à carcaça da máquina, e o rotor, conjunto de elementos fixados em torno do eixo, internamente ao estator. O rotor é composto de: a) Eixo da Armadura: responsável pela transmissão de energia mecânica para fora do motor, pelo suporte dos elementos internos do rotor e pela fixação ao estator, por meio de rolamentos e mancais. b) Núcleo da Armadura: composta de lâminas de Fe-Si, isoladas umas das outras, com ranhuras axiais na sua periferia para a colocação dos enrolamentos da armadura. c) Enrolamento da Armadura: São bobinas isoladas entre si e eletricamente ligadas ao comutador. d) Comutador: consiste de um anel com segmentos de cobre isolados entre si, e eletricamente conectados às bobinas do enrolamento da armadura. O estator é composto de: a) Carcaça: serve de suporte ao rotor, aos pólos e de fechamento de caminho magnético. b) Enrolamento de campo: são bobinas que geram um campo magnético intenso nos pólos. c) Pólos ou sapatas polares: distribui o fluxo magnético produzido pela bobinas de campo. d) Escovas: são barras de carvão e grafite que estão em contato permanente com o comutador. As máquinas elétricas possuem praticamente os mesmos elementos principais, porém com diferenças importantes entre eles. Às vezes a bobina de armadura está no estator e não no rotor, o mesmo acontecendo com a bobina de campo. Outras não possuem escovas, outros ainda não possuem bobina de armadura, e assim por diante. Porém, os nomes dados aos componentes da máquina são gerais e valem para a maioria das máquinas elétricas. De forma geral os motores elétricos são classificados em: Motores de Corrente Contínua Motores de Corrente Alternada Motores Especiais

19 Na figura 1 tem-se as partes internas de uma máquina de corrente contínua básica e sua representação. Comutador Bobina de campo Escovas Bobina de armadura Bobinas da Armadura e Comutador Bobinas de Campo Eixo Carcaça Escova Eixo da Máquina Base (a) Partes Internas (b) Representação Figura 1: Motor de Corrente Contínua com 2 pólos O motor de corrente contínua apresenta quatro terminais acessíveis, dois para as bobinas de campo (terminais 3 e 4 ) e dois para as bobinas de armadura ( terminais 1 e 2 ). Em alguns motores de baixa potência, as bobinas de campo são substituídas por ímãs permanentes. Neste caso, o motor apresenta apenas dois terminais de acesso (terminais 1 e 2). O princípio de funcionamento elementar de um motor de corrente contínua está baseado na Força Mecânica que atua sobre um condutor imerso num campo magnético, quando sobre ele circula uma corrente elétrica. Observe a fig. 1, na bobina 1 as forças são iguais e opostas, não produzindo nenhuma força de rotação (torque ou par binário), mas as bobinas 2,3 e 4 tem sobre elas um torque Fx tal que impulsiona o rotor para girar, levando consigo a bobina 1, que então entra na região ( da bobina 2) onde estava a bobina 2, e então passa a exercer uma força de giro também. Observe que para este esquema funcionar, é necessário inverter o sentido da corrente da armadura a cada 180 º. O elemento que faz a comutação do sentido da corrente é o comutador. O princípio de funcionamento do motor de corrente contínua também pode ser baseado na ação de forças magnéticas sobre o rotor, geradas pela interação do campo magnético criado pelas bobinas de campo com o campo magnético criado pelas bobinas da armadura, conforme mostra a fig. 2. Observa-se que o comutador possui a função de inverter o sentido da corrente na bobina da armadura em 90º e 270º dando continuidade ao movimento rotativo do motor. Um dos itens imprescindíveis para que ocorra a comutação, é a escova elétrica, justamente o objeto central do estudo apresentado nesta dissertação.

20 Figura 2: Princípio de funcionamento de motores 2.2 ESCOVAS ELÉTRICAS A primeira escolha do grafite natural para este propósito veio 90 anos atrás devido o material ser conhecido pelas suas propriedades de um lubrificante sólido. Carbono e grafite, diferentes formas de um mesmo elemento químico, continuaram a ser usados em componentes elétricos, pois, além desta propriedade, notou-se uma série de outras propriedades como: Resistência aos efeitos da alta temperatura: O carbono mantém suas propriedades físicoquímicas e mantém-se na forma sólida até temperaturas próximas a 3.000ºC. O carbono não possui estado líquido em pressão abaixo da atmosférica. Nessa condição, o material passa do estado sólido para o estado gasoso em temperaturas entre 3.600ºC e 4.000ºC. Baixa densidade: O carbono é menos denso que a maioria dos metais. A baixa inércia das escovas de carbono faz com que ela deslize com facilidade mesmo considerando irregularidades na superfície onde ela realiza o movimento.

21 Sem efeito de solda: O carbono quando sofre um aquecimento instantâneo, como um arco elétrico por exemplo, não tem o mesmo comportamento dos metais que podem se comportar como uma solda. 2.2.1 Fabricação As várias formas do carbono natural, produzido pela decomposição de compostos de carbono, entre eles coque provindo do carvão, carvão de lenha provindo da madeira, negro de fumo do óleo, têm características físicas que diferem consideravelmente de um para outro. Eles retêm essas diferentes características físicas até que atinjam todos a temperatura de 2.500ºC. Neste estado, todos assumem a forma de grafite, o estágio de forma cristalina do carbono (MORGANITE CARBON LIMITED, 1961). Em função da ausência de seu estado líquido, componentes de carbono apenas podem ser fabricados através da aglomeração de finos de pó. A seqüência comum de fabricação para um artigo composto de carbono é: seleção de finos de pó de carbonos naturais, mistura em proporções pré-determinadas, mistura em um composto na forma de pasta. A pasta se torna por si própria um composto de carbono. O pó compactado é misturado em peças de forma e tamanho desejados através de alta pressão. O composto na sua forma compacta é então aquecido e tratado em atmosfera inerte (sinterização). O composto final é puramente carbono (se não houver adições de outros materiais) e não depende de nenhum outro material para suas propriedades físico-químicas. Durante o tratamento térmico de sinterização, o material também sofre uma retração e, geralmente, o material precisa ser manufaturado até seu tamanho desejado após o processo. O carbono é um material muito estável termodinamicamente. Um vez completo o processo, as características do material não podem ser alteradas, a não ser que o lote produzido tenha saído fora da especificação, ou seja, tenha sido rejeitado. 2.2.2 Tipos de Escovas Através da mistura controlada, realizada em proporções pré-determinadas, processando o carbono da maneira como foi descrito anteriormente, os fabricantes têm inúmeras possibilidades de combinar diferentes propriedades físicas para produzir seus materiais. Isto é essencial quando parte-se do princípio que as máquinas elétricas apresenta características elétricas diferentes e necessitam de escovas otimizadas para cada aplicação

22 com o objetivo de obter a melhor performance possível. Um número extremamente grande de classes de escovas é necessário para cobrir todo o campo de aplicação adequadamente. A cada ano, novas escovas são desenvolvidas para acompanhar o próprio desenvolvimento tecnológico das máquinas elétricas. As classes de escovas de carbono podem ser divididas basicamente em: Escovas de grafite natural; Escovas de carbono duro; Escovas eletrografíticas; Escovas de metal-grafite; Escovas de metal-carbono; Escovas com tratamento especial para operações particulares. Escovas de grafite natural De todas as formas de carbono natural, o grafite natural é o que possui a maior propriedade lubrificante. Macia e gordurosa é usada em aplicações de alta velocidade ou onde seja necessário o menor ruído possível de operação. Escovas de carbono duro ou amorfas São mecanicamente robustas e sofrem pouco desgaste, porém sua baixa capacidade elétrica e térmica de condução, limita seu uso à moderada velocidade e densidade de corrente. Escovas eletrografíticas Como citado anteriormente, todas as formas de carbono se transformam em grafite quando submetidas a temperaturas na casa de 2.500ºC. Essas temperaturas são geralmente obtidas através de fornos elétricos. O cristal obtido não é idêntico à grafite natural e o produto retém alguma propriedade de robustez do carbono enquanto ganha algumas propriedades lubrificantes do grafite. O grafite produzido dessa maneira é conhecido como eletrografite. Escovas de metal-grafite Em anéis deslizantes, onde as escovas têm apenas o papel de coletar a corrente, a relativamente alta resistência de contato do grafite é uma desvantagem. Entretanto o excessivo desgaste em um contato metal-metal é observado na ausência de um material com propriedadades lubrificantes como o grafite. Neste tipo de escova há a possibilidade de combinar propriedades dos metais com o grafite para obter inúmeros compostos com características distintas. Escovas de metal-carbono O desenvolvimento deste tipo de escova acabou com muitas limitações mecânicas do carbono como um material de contato e permitiu o uso em aplicações que necessitam de um preciso controle.

23 Escovas com tratamento especial para operação particulares: Todo composto de carbono manufaturado é poroso. Outras substâncias absorvidas pelo carbono são incrustadas nesses poros e têm papel importante nas reações químicas e exerce influência na formação do filme superficial dos comutadores ou anéis deslizantes. Algumas condições especiais de operação, necessitam da introdução de aditivos químicos para ajudar a controlar a formação do filme superficial. 2.2.3 Propriedades A escova de carbono é uma das aplicações do carbono na qual as características de contato são muito mais importantes do que as propriedades físicas do material. Entretanto, várias propriedades físicas do composto de carbono manufaturado têm uma importante função na operação das escovas de carbono. 2.2.4 Propriedades Físicas 2.2.4.1 Resistência Específica Estabelece-se que a resistência de um condutor homogêneo de seção S e comprimento 1 é expressa pela relação R=p 1/S, sendo um coeficiente experimental, o qual depende, exclusivamente, da natureza do material condutor que se considera. Esse coeficiente experimental é chamado resistência específica ou resistividade do material em exame. Calculando, por meio da expressão R=p 1/S, (1) a resistência elétrica de um condutor, tendo comprimento e seção unitário 1=1 e S=1 resulta R=p. A resistência específica ou resistividade de um material fica definida, portanto, como a resistência elétrica de um prisma desse material, tendo unidade de comprimento e unidade de seção transversal. No cálculo das resistências elétricas expressas em ohms, é necessário se definir a resistência específica ou resistividade dos condutores em ohms, mas, sendo esta a resistência de um condutor que tem 1 cm² de seção e 1 cm de comprimento, seria expressa por números

24 muito pequenos para quase todos os materiais usados em eletrotécnica. Para evitar este inconveniente, praticamente exprime-se a resistividade dos materiais em microhms. Portanto, a resistência específica dos materiais é expressa em microhms cm² por cm (mwcm). Na aplicação da relação expressa na equação (1) R=p 1/S, querendo obter a resistência expressa em ohms, é necessário multiplicar o segundo membro pelo fator de redução 10-6, exprimindo o comprimento do condutor em cm e a seção em cm². A equação para o cálculo da resistência dos condutores será: R(W) = 10-6. p (mwcm). 1(cm)/S(cm²) (2) O carvão tem um coeficiente negativo de resistência, isto é, a resistência diminui com o aumento da temperatura dentro da variação normal do trabalho das aplicações da escova. Escovas de metal-grafite geralmente mostram poucas modificações de resistência específica com a temperatura devido ao efeito de balanceamento do carvão cobre. A resistência específica é muito importante no controle de uniformidade da escova quando de sua fabricação. É proveitosa também na seleção da mesma quanto à variação geral da especificação do material. 2.2.4.2 Condutividade térmica A condutividade térmica do melhor eletrografite, medida na unidade do sistema C.G.S, é da ordem de 0,3, e da escova de eletrografite é da ordem de 0,15. Elementos metais correspondentes são a prata (1,0). cobre (0,9) e o ferro (0,11). A condutividade de calor do grafite é comparável a estes metais. A condução de calor de um material de uma escova de carbono varia entre uma faixa de valores e isto afeta diretamente a capacidade de condução de corrente da mesma. É óbvio que a temperatura da superfície de contato da escova sempre será maior que em qualquer outro ponto da escova. O carbono começa a oxidar rapidamente no ambiente com temperaturas acima de 350ºC. Se a condutividade térmica da escova for inadequada para determinada aplicação, é possível que a alta temperatura da superfície de contato seja suficiente para produzir um desgaste fora do normal. 2.2.4.3 Densidade e Porosidade

25 A densidade do grafite é da ordem de 2,3 g/cm 3. As densidades atuais das escovas de carbono variam na faixa de 1,22 a 2,15 g/cm 3. Deve-se isto ao fato de que os materiais de carbono são porosos e, aproximadamente um sexto do seu volume são espaços vazios. A porosidade assume uma forma de finas e tortuosas passagens interconectadas por onde o ar pode passar com certa dificuldade. O tamanho e a distribuição desses poros exercem uma importante influência no comportamento da escova. Se os poros são relativamente pequenos em quantidade e grandes em tamanho, para que o ar possa permear livremente através deles, e não forem preenchidos pelo resto do desgaste das escovas, a estabilidade no comportamento do contato à altas velocidades é geralmente obtida. Por outro lado, material denso, com pequenos poros, tem boa resistência ao desgaste e apresentam vida útil elevada. 2.2.4.4 Dureza A dureza é obtida pelo teste da unidade de medida SHORE através do aparelho escleroscópio SHORE C2, e utilizando-se uma ponta de diamante e soltando-a de uma altura predefinida observa-se então o resultado. A variação do acabamento do material sob testes tem algum efeito na interpretação obtida. A interpretação é relativa; por exemplo, o aço tem normalmente 105 e o latão 20 (CARBOMEC IND PRODUTOS ELETROMECÂNICOS LTDA) 2.2.4.5 Resistência mecânica É a resistência mecânica (flexão em três pontos) expressa em quilogramas força por centímetro quadrado (kgf./cm²), determinado através de testes de resistência em uma máquina Olsen. O teste é feito em corpos-de-prova de tamanho uniforme. O corpo-de-prova é sustentado por dois apoios, enquanto um cutelo desce sobre o centro do corpo-de-prova até que este se rompa. Nesse instante, lê-se no dinamômetro a carga aplicada e utiliza-se a seguinte fórmula para obter a resistência do material: S = 3PL/2bd² (3) onde S= tensão em quilogramas por centímetro quadrado na fibra mais solicitada no momento da ruptura. P= carga em quilogramas aplicada entre os suportes.

26 L= distância entre os suportes em centímetros. b= largura da seção do corpo de provas em cm. d= espessura da seção do corpo de provas em cm. (fig. 3) Figura 3: Demonstração de teste de resistência mecânica ( Manual de escovas elétricas www.carbomec.com.br) 2.2.5 Propriedades Elásticas Mesmo com os mais elevados padrões de construção e manutenção, nenhum comutador ou anel deslizante pode ser considerado como geometricamente perfeito. As irregularidades podem ser bem pequenas, porém as forças de aceleração impostas às escovas para acompanhar a superfície são de considerável magnitude. Pode-se associar o problema a um automóvel viajando em uma auto-estrada em alta velocidade, sendo a escova posicionada no local da roda. A suspensão do automóvel irá prover resiliência e pressão para que a roda permaneça em contato com o asfalto. O mecanismo do porta escovas não consegue responder as altas freqüências produzidas pelos segmentos do comutador e a resiliência e a pressão devem ser providas pelo próprio material da escova. As propriedades elásticas dos materiais de escovas conseqüentemente têm considerável influência sobre a performance do deslizamento. 2.2.6 Propriedades de contato O grau de precisão com que a propriedade física e mecânica de qualquer material pode ser medida depende da precisão do instrumento e da uniformidade do material. Por exemplo, o módulo de elasticidade e tensão de metais dúcteis como o aço, pode ser medido precisamente e os resultados obtidos serão muito próximos, com poucos desvios. Testes em