Anatomia das Ventoinhas de Computador

Introdução

As ventoinhas de computador são basicamente motores sem escovas equipados com pás para mover o ar. Elas são bastante comuns dentro de um micro e podem ser construídas com diferentes tecnologias. Neste tutorial examinaremos um dos componentes encontrados nas ventoinhas que é motivo de muita confusão, o rolamento.

Você provavelmente já viu escrito várias vezes que as ventoinhas usadas em computadores são do tipo “sem escova” (“brushless”). Mas o que isto significa? Vamos estudar primeiro como um motor com escova funciona.

Motores com escovas são uma peça de metal com um fio de cobre ao seu redor. Esta peça de metal é móvel e tem um eixo, o que significa que toda vez que ela se move, o eixo move junto, girando o que estiver preso ao eixo.

Quando energizada, esta peça de metal é transformada em um eletroímã, gerando um campo magnético com dois pólos (chamados norte e sul). Ao redor do motor existem dois grandes ímãs curvados, que ficam sempre parados, um produzindo um campo magnético norte e outro produzindo um campo magnético sul. Quando o campo magnético gerado pelo eletroímã é o mesmo produzido pelo ímã que está permanente preso, o motor moverá, pois ímãs com o mesmo pólo se repelem. Além disso, o campo magnético apresentado pelo o outro ímã que fica permanentemente preso será o oposto, atraindo o eletroímã. Nós ilustramos esta situação no “primeiro passo” na Figura 1.

No entanto, após o motor girar 180º empurrado pelas forças magnéticas repelentes, ele irá parar, porque o sistema agora estará equalizado: como o motor girou, agora os campos magnéticos gerados pelo motor serão do tipo oposto aos dos campos magnéticos gerados pelos ímãs que estão permanentemente parados, fazendo com que o motor seja atraído pelos ímãs estacionários em vez de ser repelido.

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Figura 1: Como um motor com escovas funciona

Para o motor girar novamente, a direção da corrente aplicada no fio deve ser invertida. Ao inverter a polaridade, os campos magnéticos gerados pelo motor também serão invertidos, criando novamente a mesma situação que tínhamos no primeiro passo, girando o motor 180º mais uma vez. Então ele parará novamente.

Para que o motor gire continuamente precisamos de um mecanismo que automaticamente inverta a polaridade do fio assim que o motor terminar de girar 180º. A maneira mais fácil e barata de fazer isso é usando um par de escovas. As pontas do fio que está ao redor do motor são instaladas em dois contatos (também chamados “comutadores”) e duas escovas tocam nesses contatos. As escovas possuem sempre a mesma polaridade, mas como os contatos moverão junto com o motor, a polaridade será invertida toda vez que o motor girar 180º. Nós ilustramos isto na Figura 2.

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Figura 2: Sistema com escova

Claro que esta é uma explicação simplória, mas deve ser suficiente para você entender o princípio por trás dos motores com escovas.

Os motores usados nas ventoinhas de computador, no entanto, não funcionam desta forma porque os motores com escovas são barulhentos, produzem faíscas toda vez que os contatos tocam nas escovas, gastam muito rápido por causa do contato entre os comutadores e as escovas, e não são muito confiáveis em altas velocidades.

O Motor Sem Escova

As ventoinhas de computador são mais sofisticadas, já que elas utilizam motores sem escova (“brushless”). Como o nome já diz, este tipo de motor não usa escovas. O projeto deste tipo de motor é um pouco diferente.

Como vimos na página anterior, os motores com escovas têm ímãs permanente presos e o fio de cobre está enrolado na parte do motor que gira. Motores sem escova são construídos da maneira oposta: o eletroímã (bobina de fio de cobre) é estacionário e os ímãs é que giram.

No caso de ventoinhas de computador, o ímã é instalado na armação das pás, e esta armação tem um eixo (o conjunto completo é chamado rotor). O rotor move quando instalado na moldura da ventoinha, que é também chamada estator. Os eletroímãs são instalados no estator, mas eles não se movem. No meio da peça onde as bobinas estão instaladas há um orifício onde o eixo da armação das pás é instalado. Esta abertura é o famoso rolamento sobre o qual falaremos depois.

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Figura 3: Pás (rotor)

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Figura 4: Moldura da ventoinha (estator)

Os motores sem escova podem ser construídos com várias bobinas e as ventoinhas de computador normalmente têm oito delas. Dentro de uma ventoinha você pode ver facilmente quatro “braços” ou “dentes” metálicos em formato de “T”, cada um contendo duas bobinas, e normalmente uma delas usa fio de cobre vermelho e a outra usa fio de cobre convencional (ver Figura 5).

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Figura 5: Cada peça em formato de “T” tem duas bobinas

Essas bobinas são conectadas como mostrado na Figura 6. Em nosso exemplo, V0 é o fio comum para ambos os conjuntos de bobinas, V1 é o fio para energizar as bobinas que usam o fio vermelho e V2 é o fio para energizar as bobinas que usam o fios de cobre sem pintura.

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Figura 6: Como as bobinas são conectadas

Um circuito integrado presente na placa de circuito impresso da ventoinha controla as bobinas. Ele energizará as bobinas de maneira a manter o motor girando. Em outras palavras, este circuito integrado mudará o campo magnético gerado pelas bobinas de tal maneira que elas repelirão o ímã presente no rotor, o que fará com que ele gire e continue girando.

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Figura 7: Circuito integrado

As ventoinhas sem escova mais simples têm apenas dois fios. Opcionalmente, as ventoinhas sem escova podem ter um circuito de monitoramento para alimentar a placa-mãe do computador com uma forma de onda que representa a velocidade do rotor. Desta maneira você pode monitorar a velocidade da ventoinha através do menu de configuração da placa-mãe ou através de um programa de monitoramento. Este circuito está disponível através de um terceiro fio. Portanto ventoinhas com três fios têm este sensor. A adição deste circuito encarece um pouco o preço da ventoinha, obviamente.

Ventoinhas mais sofisticadas têm um quarto fio que é conectado ao circuito integrado da ventoinha para controlar sua velocidade, através de uma técnica chamada modulação por largura de pulso (PWM). Se este fio estiver presente, a velocidade da ventoinha será controlada pela placa-mãe do computador e você pode configurar o micro para mudar a velocidade da ventoinha dependendo da temperatura informada por algum sensor localizado dentro do micro. Este tipo de ventoinha é mais caro do que ventoinhas que têm apenas um fio de monitoramento, obviamente.

É importante entender que você pode controlar a velocidade da ventoinha diminuindo a tensão através da instalação de um potenciômetro ou de um controlador de ventoinha. Note que neste caso é o usuário quem controla a velocidade da ventoinha, ao contrário do que acontece com ventoinhas PWM, onde é o computador que controla a velocidade da ventoinha.

Claro que esta é uma simplificação de como as ventoinhas sem escova funcionam. Existem muitos outros detalhes sobre os motores sem escova, mas nós decidimos focar exclusivamente no seu uso em ventoinhas de computador.

As vantagens dos motores sem escova em relação aos motores com escova são óbvias: eles produzem menos ruído, não produzem faíscas e são mais confiáveis.

O Mancal (Rolamento de Bucha)

Agora que você sabe como as ventoinhas de computador funcionam, vamos examinar o componente que é motivo de muita dúvida, o rolamento.

O rolamento é o componente que permite que o eixo do motor gire, sendo o ponto de contato entre o rotor e o estator. Ele está localizado exatamente no meio do estator, como já mostramos na Figura 4.

O tipo de rolamento usado nos dirá basicamente duas coisas: a quantidade de ruído produzido pela ventoinha e sua vida útil.

Existem dois tipos básicos de rolamento disponíveis: mancal, informalmente conhecido como rolamento de bucha (“sleeve bearing”), e rolamento de esferas (“ball bearing”).

O mancal é o tipo de rolamento mais básico disponível. Ele é basicamente um tubo lubrificado onde o eixo do rotor é inserido.

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Figura 8: Mancal

As pessoas dizem que ventoinhas usando mancal são mais silenciosas do que ventoinhas com rolamento de esferas, mas isto é parcialmente verdadeiro. Quando a ventoinha é nova, esta afirmativa é verdadeira. Mas na medida em que as ventoinhas envelhecem, o óleo ou graxa dentro do tubo começa a secar, e então este tipo de ventoinha começa a ficar mais barulhento do que as ventoinhas com rolamento de esferas.

A secagem do lubrificante (óleo ou graxa) é um processo inevitável e quando não há lubrificante suficiente dentro do tubo a ventoinha para de funcionar. Por causa disso, ventoinhas com mancal têm a menor vida útil menor entre as ventoinhas de computador. Por outro lado, elas são as mais baratas.

É importante entender que a vida útil depende da temperatura de operação da ventoinha, já que com o aumento de temperatura, o lubrificante tende a evaporar mais rápido.

Abaixo você pode ver uma tabela com a vida útil esperada de ventoinhas com rolamento com mancal em temperatura ambiente (fonte: WILLIAMS, Melody. Ball vs sleeve: a comparison in bearing performance. Chatsworth, NMB Technologies Corporation). A maioria dos fabricantes, no entanto, rotula as ventoinhas com mancal com uma vida útil esperada de 30.000 horas a 40º C.

Temperatura	Vida Útil Esperada
25° C	80.000 horas
40° C	52.000 horas
50° C	40.000 horas
60°C	30.000 horas

Uma desvantagem observada nas ventoinhas com mancal é que elas não são projetadas para serem instaladas horizontalmente, já que se elas forem instaladas nesta orientação o óleo dentro do tubo se concentrará em um dos lados do eixo. Por isso, a ventoinhas com mancal devem ser instaladas verticalmente, de forma que o óleo dentro do rolamento se espalhe de maneira uniforme. Infelizmente a maioria dos fabricantes de fontes de alimentação e gabinetes não segue esta recomendação, o que pode reduzir a vida útil da ventoinha.

O Rolamento de Esferas

O rolamento de esferas (“ball bearing”) é formado por uma peça selada com pequenas esferas dentro dela (ver Figura 9). Embora exista rolamento de esferas abertos, eles não são usados em ventoinhas de computador. Este é o mesmo tipo de rolamento usado em skates e patins, por exemplo, e informalmente conhecida como "rolimã".

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Figura 9: Rolamento de esferas

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Figura 10: Rolamento de esferas

Por ser um componente lacrado, o material lubrificante (normalmente graxa) evapora mais lentamente se comparado com o mancal, fazendo com que ventoinhas com rolamento de esferas durem mais tempo. Por exemplo, a 50º C a vida útil esperada de uma ventoinha com rolamento de bucha é de 40.000 horas, enquanto a vida útil de uma ventoinha com rolamento de esferas na mesma temperatura é de 63.000 horas, um aumento de 57%!

Assim como as ventoinhas de mancal, a vida útil das ventoinhas de esferas depende da temperatura, como você pode ver na tabela abaixo (fonte: WILLIAMS, Melody. Ball vs sleeve: a comparison in bearing performance. Chatsworth, NMB Technologies Corporation). A maioria dos fabricantes de ventoinhas, no entanto, rotula as ventoinhas com rolamento de esferas com uma vida útil esperada de 50.000 horas a 40º C.

Temperatura	Vida Útil Esperada
25° C	95.000 horas
40° C	75.000 horas
50° C	63.000 horas
60° C	54.000 horas

As ventoinhas com rolamento de esferas são mais barulhentas do que as ventoinhas de mancal quando ambas estão novas, mas, como explicamos na página anterior, na medida em que elas envelhecem o nível de ruído produzido pelas ventoinhas de mancal aumenta e elas ficam mais barulhentas do que os modelos com rolamento de esferas.

Algumas ventoinhas podem usar dois rolamentos de esferas em vez de apenas um; elas são chamadas de ventoinhas com dois rolamentos de esfera ou 2BB (“2 Ball Bearing”). Neste caso um rolamento é colocado em cada lado do estator. Ventoinhas que usam apenas um rolamento de esfera também são conhecidas como 1B1S (“1 Ball 1 Sleeve”), porque, enquanto um rolamento de esfera é usado em um lado do estator, no outro lado um mancal ainda é usado para prender o eixo no lugar.

Ao contrário das ventoinhas de mancal, as ventoinhas com rolamento de esferas podem ser instaladas na vertical ou na horizontal, já que o material lubrificante fica selado dentro do rolamento.

Como você pode deduzir, as ventoinhas com um rolamento de esferas são mais caras do que ventoinhas de mancal, enquanto ventoinhas com dois rolamento de esferas são mais caras do que ventoinhas com apenas um rolamento de esferas.

Outros Tipos de Rolamentos

Os fabricantes estão sempre tentando obter um rolamento que possa durar mais e produzir menos ruído. A maioria dos outros tipos de rolamentos são modificações do rolamento de bucha desenvolvidas para obter rolamentos mais baratos do que os rolamentos de esfera, mas que durem mais do que ventoinhas de mancal.

É importante entender que algumas vezes um “novo” tipo de rolamento é usado por apenas um fabricante, e é por isso que você pode não encontrar informação sobre um tipo de rolamento específico abaixo.

Rolamento de Rifle

O rolamento de rifle é um rolamento de mancal modificado com um sulco em forma de espiral dentro do tubo que bombeia óleo de um reservatório. Este sulco faz com que o tubo fique sempre “molhado”, permitindo à ventoinha ser instalada horizontalmente, ao contrário das ventoinhas de mancal. A vida útil deste tipo de rolamento está entre a dos mancais e a dos rolamentos de esferas.

Rolamento de Fluido Dinâmico

Também conhecidas como rolamento hidrodinâmico, é um rolamento de mancal modificado onde o eixo não toca o tubo no estator; o tubo é preenchido com óleo e por isso o eixo gira dentro deste compartimento de óleo. De acordo com a Jaro Thermal, ventoinhas com rolamento de fluido têm uma vida útil de 60.000 horas a 40º C. Como o eixo ficará sempre “molhado”, este tipo de ventoinha pode ser instalado horizontalmente.

Rolamentos Magnéticos

Os rolamentos magnéticos, também chamados rolamentos de levitação magnética ou simplesmente maglev, faz o eixo do rotor “flutuar” dentro do tubo do estator, sem tocá-lo, através do uso da força magnética. Desta forma, não há necessidade de lubrificante. Como não há contato físico entre o eixo e o estator, o nível de ruído produzido por este tipo de rolamento é o menor possível. De acordo com a Sunon, este tipo de ventoinha tem uma vida útil de 50.000 horas em “temperatura ambiente” (que assumimos ser de 25º C). Uma explicação detalhada sobre esta tecnologia pode ser encontrada aqui.

Rolamentos Cerâmicos

Também chamado rolamento híbrido, é um rolamento que contém esferas de cerâmica em vez de esferas de aço.

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