Elektromotor – princip činnosti elektromotoru, klasifikace a technické vlastnosti

Elektromotory jsou navrženy k přeměně elektrické energie na mechanickou. Jejich první prototypy byly vytvořeny v 19. století a dnes jsou tato zařízení maximálně integrována do života moderního lidstva. Příklady jejich použití lze nalézt v jakékoli oblasti života: od veřejné dopravy až po domácí mlýnek na kávu.

Princip přeměny energie

Princip činnosti jakéhokoli typu elektromotoru je založen na využití elektromagnetické indukce, která vzniká uvnitř zařízení po připojení k síti. Abychom pochopili, jak tato indukce vzniká a uvádí prvky motoru do pohybu, je třeba se podívat na školní kurz fyziky, který vysvětluje chování vodičů v elektromagnetickém poli.

Pokud tedy ponoříme vodič ve tvaru vinutí, podél kterého se pohybují elektrické náboje, do magnetického pole, začne se otáčet kolem své osy. To je způsobeno tím, že náboje jsou pod vlivem mechanické síly, která mění jejich polohu v rovině kolmé k magnetickým siločarám. Můžeme říci, že tato samá síla působí na celý vodič.

Níže uvedený diagram znázorňuje vodivou smyčku pod napětím a dva magnetické póly, které jí udělují rotační pohyb.

Obrázek je klikací.

Právě tento vzorec interakce mezi magnetickým polem a vodivým obvodem s vytvořením elektromotorické síly je základem provozu elektromotorů všech typů. Pro vytvoření podobných podmínek zahrnuje konstrukce zařízení:

• Rotor (vinutí) je pohyblivá část stroje, upevněná na jádru a rotačních ložiskách. Funguje jako rotační obvod vedoucí proud.
• Stator je stacionární prvek, který vytváří magnetické pole, jež ovlivňuje elektrické náboje rotoru.
• Těleso statoru. Vybaven montážními objímkami s klecemi pro ložiska rotoru. Rotor je umístěn uvnitř statoru.

Pro znázornění konstrukce elektromotoru lze na základě předchozího obrázku vytvořit schéma zapojení:

Po připojení tohoto zařízení k síti začne vinutími rotoru protékat proud, který pod vlivem magnetického pole vznikajícího na statoru udává rotaci rotoru, přenášenou na rotující hřídel. Rychlost otáčení, výkon a další provozní ukazatele závisí na konstrukci konkrétního motoru a parametrech elektrické sítě.

Klasifikace elektromotorů

Všechny elektromotory se mezi sebou klasifikují především podle typu proudu, který jimi protéká. Každá z těchto skupin se zase dělí na několik typů v závislosti na technologických vlastnostech.
DC motory

U nízkovýkonových stejnosměrných motorů je magnetické pole vytvářeno permanentním magnetem instalovaným v pouzdře zařízení a vinutí kotvy je upevněno na rotující hřídeli. Základní schéma stejnosměrného motoru vypadá takto:

Vinutí umístěné na jádře je vyrobeno z feromagnetických materiálů a skládá se ze dvou částí, zapojených sériově. Jejich konce jsou připojeny ke sběrným deskám, ke kterým jsou přitlačeny grafitové kartáče. Na jednu z nich je přiveden kladný potenciál ze zdroje stejnosměrného proudu a na druhou záporný potenciál.

Jakmile je motor napájen, dojde k následujícímu:

1. Proud ze spodního „kladného“ kartáče je přiváděn na sběrnou desku, k jejíž kontaktní plošině je připojen.
2. Průchod proudu vinutím k sběrné desce (označené tečkovanou červenou šipkou), připojené k hornímu „zápornému“ kartáči, vytváří elektromagnetické pole.
3. Podle pravidla gimletu vzniká magnetické pole jižního pólu v pravé horní části kotvy a severní magnetický pól v levé dolní části.
4. Magnetická pole se stejným potenciálem se vzájemně odpuzují a způsobují otáčení rotoru, což je na diagramu znázorněno červenou šipkou.
5. Konstrukce sběrných desek má za následek změnu směru toku proudu vinutím během setrvačné rotace a pracovní cyklus se znovu opakuje.

Navzdory zjevné jednoduchosti konstrukce je významnou nevýhodou těchto motorů nízká účinnost v důsledku velkých energetických ztrát. Dnes se stejnosměrné motory s permanentními magnety používají v jednoduchých domácích spotřebičích a dětských hračkách.

Konstrukce výkonných stejnosměrných motorů používaných v průmyslových účelech neumožňuje použití permanentních magnetů (zabíraly by příliš mnoho místa). Tyto stroje používají následující konstrukci:

• vinutí se skládá z většího počtu sekcí, které jsou kovovou tyčí;
• každé vinutí je samostatně připojeno ke kladnému a zápornému pólu;
• Počet kontaktních plošek na kolektorovém zařízení odpovídá počtu vinutí.

Snížení energetických ztrát je tedy zajištěno plynulým připojením každého vinutí ke kartáčům a zdroji energie. Následující obrázek ukazuje konstrukci kotvy takového motoru:

Konstrukce stejnosměrných elektromotorů umožňuje snadnou změnu směru otáčení rotoru pouhou změnou polarity zdroje energie.

Funkční vlastnosti elektromotorů jsou určeny přítomností některých „triků“, mezi které patří posun kartáčů pro sběr proudu a několik schémat zapojení.

K posunu sestavy sběrných kartáčů vzhledem k otáčení hřídele dochází po nastartování motoru a změně dodávaného zatížení. To umožňuje kompenzaci „reakce kotvy“ – efektu, který snižuje účinnost stroje v důsledku brzdění hřídele.

Existují tři způsoby připojení DPT:

1. Obvod s paralelním buzením umožňuje paralelní zapojení nezávislého vinutí, obvykle řízeného reostatem. To zajišťuje maximální stabilitu otáček a jejich plynulé nastavení. Díky tomu se motory s paralelním buzením široce používají ve zdvihacích zařízeních, elektrické dopravě a obráběcích strojích.
2. Obvod se sériovým buzením také umožňuje použití přídavného vinutí, ale je zapojeno sériově s hlavním. To umožňuje v případě potřeby prudce zvýšit točivý moment motoru, například při rozjezdu vlaku.
3. Smíšený obvod využívá výhod obou výše popsaných způsobů připojení.

AC motory

Hlavní rozdíl mezi těmito motory a dříve popsanými modely spočívá v proudu protékajícím jejich vinutím. Ten popisuje sinusový vzorec a neustále mění svůj směr. Proto jsou tyto motory napájeny generátory se střídavým znaménkem.

Jedním z hlavních konstrukčních rozdílů je konstrukce statoru, což je magnetický obvod se speciálními štěrbinami pro uspořádání závitů vinutí.

Střídavé motory se podle principu činnosti dělí na synchronní a asynchronní. Stručně řečeno, to znamená, že u prvního typu se otáčky rotoru shodují s frekvencí otáčení magnetického pole ve statoru, zatímco u druhého se neshodují.

Důrazně doporučujeme přečíst si náš článek o konstrukci střídavých motorů.

Synchronní motory

Provoz synchronních střídavých elektromotorů je také založen na principu interakce polí vznikajících uvnitř zařízení, avšak v jejich konstrukci jsou na rotoru upevněny permanentní magnety a podél statoru je provedeno vinutí. Princip jejich činnosti je znázorněn na následujícím diagramu:

Vodiče vinutí, kterými prochází proud, jsou na obrázku znázorněny jako rámeček. Rotace rotoru probíhá následovně:

1. V určitém časovém okamžiku se rotor s připojeným permanentním magnetem volně otáčí.
2. V okamžiku průchodu kladné půlvlny vinutím se vytvoří magnetické pole s diametrálně opačnými póly Sst a Nst. Je znázorněno na levé straně diagramu.
3. Stejné póly permanentního magnetu a magnetického pole statoru se vzájemně odpuzují a uvádějí motor do polohy znázorněné na pravé straně diagramu.

V reálných podmínkách se pro vytvoření konstantní plynulé rotace motoru nepoužívá jedna vinutí, ale několik. Střídavě propouštějí proud skrz sebe, čímž vzniká rotující magnetické pole.

Asynchronní motory

V asynchronním střídavém motoru je rotující magnetické pole vytvářeno třemi (pro síť 380 V) statorovými vinutími. Jsou připojena ke zdroji napájení přes svorkovnici a chlazena ventilátorem zabudovaným v motoru.

Rotor, sestavený z několika uzavřených kovových tyčí, je pevně spojen s hřídelí a tvoří s ní jeden celek. Právě kvůli spojení tyčí se tento typ rotoru nazývá zkratovaný. Vzhledem k absenci vodivých kartáčů v této konstrukci je údržba motoru výrazně zjednodušena, zvyšuje se životnost a spolehlivost. Hlavním důvodem poruchy tohoto typu motoru je opotřebení ložisek hřídele.

Princip činnosti asynchronního motoru je založen na zákonu elektromagnetické indukce – pokud frekvence otáčení elektromagnetického pole statorových vinutí překročí frekvenci otáčení rotoru, indukuje se v něm elektromotorická síla. To je důležité, protože při stejné frekvenci nedochází k elektromagnetickému sepnutí, a proto nedochází k otáčení. Ve skutečnosti zatížení hřídele a odpor tření ložisek vždy zpomalují rotor a vytvářejí dostatečné podmínky pro provoz.

Hlavní nevýhodou tohoto typu motoru je nemožnost dosáhnout konstantní rychlosti otáčení hřídele. Faktem je, že provozní charakteristiky zařízení se mění v závislosti na různých faktorech. Například bez zatížení hřídele se kotoučová pila otáčí maximální rychlostí. Když přiložíme desku k pilovému kotouči a začneme ji řezat, rychlost otáčení disku se výrazně sníží. V souladu s tím se sníží rychlost otáčení rotoru vzhledem k elektromagnetickému poli, což vede k indukci ještě většího elektromotorického pole. Tím se zvyšuje spotřebovaný proud a provozní výkon motoru se zvyšuje na maximum.

Princip činnosti elektromotoru

Je důležité vybrat motor s vhodným výkonem – příliš nízký výkon povede k poškození rotoru s klecí nakrátko v důsledku překročení vypočítané maximální EMF a příliš vysoký výkon povede k nepřiměřené spotřebě energie.

Asynchronní střídavé motory jsou navrženy pro provoz z třífázové elektrické sítě, ale lze je připojit i k jednofázové síti. Používají se například v pračkách a domácích dílenských strojích. Jednofázový motor má přibližně o 30 % nižší výkon než třífázový motor – od 5 do 10 kW.

Díky své jednoduchosti provedení a spolehlivosti jsou asynchronní střídavé motory nejběžnější nejen v průmyslových zařízeních, ale i v domácích spotřebičích.

Univerzální kartáčované motory

Mnoho domácích elektrických spotřebičů vyžaduje vysoké otáčky a točivý moment motoru s nízkými rozběhovými proudy a plynulou regulací. Všechny tyto požadavky splňují kolektorové motory, nazývané univerzální. Svou konstrukcí jsou velmi podobné stejnosměrným motorům se sériovým buzením.

Hlavní rozdíl oproti stejnosměrnému motoru spočívá v magnetickém systému, který je vybaven několika vzájemně izolovanými plechy elektrotechnické oceli, k jejichž pólům jsou připojeny dvě sekce vinutí. Tato konstrukce snižuje ohřev prvků Foucaultovými proudy a remagnetizaci.

Vysoká synchronicita magnetických polí v univerzálních komutátorových motorech udržuje vysokou rychlost otáčení i při velkém zatížení hřídele. Proto se používají v nízkopříkonových vysokorychlostních zařízeních a domácích spotřebičích. Po připojení k obvodu nastavitelného transformátoru je možné plynule regulovat rychlost otáčení.

Hlavní nevýhodou těchto elektromotorů je jejich nízká životnost v důsledku rychlého opotřebení grafitových kartáčů.

• Hlavní
• Elektrická zařízení
• Elektrické motory