Elektromotor: Princip Fungování a Výroba

Elektromotor je elektrický stroj, který slouží k přeměně elektrické energie na mechanickou práci. Drtivá většina současných elektromotorů jsou indukční stroje, které využívají silové účinky magnetického pole. Bylo by však možné využít i jiné jevy, např. piezoelektrický jev, nebo silové účinky elektrostatického pole. Současné elektromotory jsou většinou realizovány jako točivé elektrické stroje. Méně obvyklé jsou netočivé elektromotory, např. lineární elektromotor.

Elektrické stroje přeměňující mechanickou práci na elektrickou označujeme jako generátor, alternátor, dynamo. Většina typů elektrických strojů může pracovat jako motor nebo jako generátor, rozhoduje konstrukce stroje. Tyto stroje mohou i samočinně přecházet z motorického do generátorického režimu a naopak z generátorického chodu do motorického. Díky těmto vlastnostem umožňují elektrické pohony brzdit pomocí rekuperace tj. vracení elektrické energie do elektrické sítě nebo do akumulátorů.

Princip Fungování Elektromotorů

Většina elektromotorů je založena na využití silových účinků magnetického pole. Většinou se využívá působení Lorentzova zákona síly. Na vodič protékaný elektrickým proudem, který se nachází v magnetickém poli působí síla úměrná kolmé ortogonální složce magnetické indukce a velikosti elektrického proudu tekoucího vodičem (vektorový součin) (F=B.I.l - jednotky N; T, A, m).

Zjednodušeně si lze představit, že se využívá vzájemné přitahování a odpuzování dvou elektromagnetů, nebo elektromagnetu a permanentního magnetu. Současně, působením elektromagnetické síly na vodič se vodič uvádí do pohybu, protíná magnetické siločáry. Pohybem vodiče v magnetickém poli je ve vodiči indukováno elektrické napětí (U=B.l.v - jednotky V; T, m, m.s−1). Podobně to platí i pro vodič, který leží v časově proměnném magnetickém poli, nebo se pohybuje v časově proměnném magnetickém poli.

Při konstrukci elektromotorů je také využíváno silové působení mezi elektromagnetem a tělesem, které má různé reluktance, tj. různé magnetické odpory (různé permeance, tj. různé magnetické vodivosti). Vyžívána je v reluktančních motorech, kde jsou využívány rozdíly reluktance zubové kotvy (vzduch/zub).

Čtěte také: Elektromotory: Princip

Většina běžných elektrických motorů je konstruována na rotačním principu, ale existují i netočivé varianty elektromotorů, například lineární elektromotor, kdy rotor stroje tvoří statický pás umístěný podél pojezdové dráhy stroje (rotor je jakoby rozvinut do délky a neotáčí se). Tento druh motorů se v technické praxi používá zejména pro některá speciální dopravní zařízení. V elektrickém točivém stroji se rotující část stroje nachází obvykle uvnitř, nazývá se podle své základní funkce rotor. Statická netočivá (t. j. pevná) část stroje se podle své funkce nazývá stator.

Součásti Elektromotoru

Elektromotor se skládá z několika klíčových částí:

• Elektrický obvod: Proudový obvod, je tvořen vinutím - cívkami s izolací, svorkami nebo přípojnicemi. Některé stroje mají komutátor nebo kroužky. Komutátor je prstenec složený z mnoha vzájemně izolovaných lamel. K lamelám jsou připojeny jednotlivé vývody cívek kotvy. Ke komutátoru přiléhá dvojice (nebo více) kartáčů.
• Magnetický obvod: Je tvořen feromagnetiky. Magnetický obvod u střídavých strojů a kotev komutátorových strojů (i stejnosměrných) je vždy tvořen vzájemně elektricky izolovanými transformátorovými plechy.
• Mechanická konstrukce: Je tvořena nosnými částmi, ložiskovými štíty, patkami, přírubami, kryty, svorkovnicemi, chlazením. Přenáší reakční síly od hřídele stroje. Zajišťuje dostatečnou mechanickou tuhost a pevnost stroje. Chrání před vniknutím cizích částí a vody do stroje. Zajišťuje oddělení vnějšího a vnitřního prostředí ve stroji (např. nebezpečí výbuchu). Chrání před nebezpečným dotykem pohybujících se částí a dotykem s elektrickými částmi pod napětím = úrazem. Zajišťuje odvod tepelné energie vzniklé ve stroji = chlazení.
• Stator: Je pevná část stroje, která bývá vnější částí stroje. Na statoru bývají upevněny cívky vinutí s magnetickým obvodem, magnety, elektromagnety a kartáče kroužků nebo komutátorů. Některé stejnosměrné stroje mají na statoru umístěny permanentní magnety.
• Rotor: Se obvykle otáčí na ložiskách v dutině statoru. Některé konstrukce mají rotor na vnější straně statoru, tj. Rotor je otočná část stroje s magnetickým obvodem, vinutím a hřídelí, na které mohou být nasazeny kroužky nebo komutátor. Stroj je konstruován tak, aby na sebe vhodně vzájemně působila magnetická pole rotoru a statoru a působením vytvářela kroutící moment. Kroutící moment je přenášen na hřídel stroje. Otáčející se rotor vykonává mechanickou práci.

Druhy Elektromotorů

V současné době existují nejrůznější druhy elektrických motorů. Asi nejpodstatnější rozdíl mezi jednotlivými typy spočívá v jejich napájení. Ale také vytvoření potřebného magnetického pole probíhá u příslušných motorů různým způsobem. Vedle silných permanentních magnetů se v závislosti na účelu použití využívají také elektromagnety.

Stejnosměrné Motory

Stejnosměrné motory jsou provozovány s permanentním magnetem jako statorem. Jestliže cívkou protéká stejnosměrný proud, vytváří cívka magnetické pole a železné jádro se stane elektromagnetem. To se provádí jednoduše změnou směru proudu v cívce. Se změnou směru proudu se přepóluje magnetické pole elektromagnetu. Kotva se točí dále, dokud se po čtvrtině otáčky odlišné magnetické póly znovu nepřitáhnou. Směr otáčení motoru závisí na polaritě baterie (stejnosměrné napětí) na kluzných kontaktech. Pokud napětí přepólujeme, změní se i směr otáčení motoru. Rychlost otáčení závisí na velikosti provozního napětí.

Pokud by byl stejnosměrný motor provozován se střídavým napětím 50 Hz, nemůže rotor změnit směr otáčení 100krát za sekundu. V praxi toho dosahujeme tak, že pro stator nepoužíváme permanentní magnet, ale paket tvořený proužky plechu, který je vybavený budicím vinutím. Pokud je statorové vinutí a vinutí kotvy zapojené za sebou (zapojené do řady / sériové zapojení), označuje se motor jako sériový motor nebo hlavní sériový motor. Tyto typy motorů se používají u domácích spotřebičů, jako jsou mixéry nebo vysavače.

Čtěte také: Gaussova křivka a příroda

Nejjednodušší motor na stejnosměrný proud má stator tvořený permanentním magnetem a rotující kotvu ve formě elektromagnetu s dvěma póly. Rotační přepínač, zvaný komutátor, mění směr elektrického proudu a polaritu magnetického pole procházejícího kotvou dvakrát během každé otáčky. Tím zajistí, že síla působící na póly rotoru má stále stejný směr. V okamžiku přepnutí polarity (mrtvý úhel motoru) udržuje běh tohoto motoru ve správném směru setrvačnost.

Místo permanentního magnetu se pro statory používá elektromagnetu. Cize buzený motor má kotvu (rotor) napájenu z jiného zdroje než buzení (stator). Každé vinutí se řídí zvlášť. U těchto motorů je podmínkou plynulá regulace napětí. Změna směru otáčení motoru je možno reverzací (přepólováním) kotvy, nebo buzení. Pro změnu směru a zavedení elektrodynamické brzdy stačí jednoduché zapojení obvodů. Tento motor nepotřebuje šuntování budicího vinutí (buzení má vlastní regulaci).

Pokud je vinutí statoru (budicí vinutí) spojeno s vinutím rotoru do série, mluvíme o sériovém elektromotoru. Tento typ elektromotoru má točivý moment nepřímo úměrný otáčkám. To znamená, že stojící elektromotor má obrovský točivý moment. Využívá se proto především u dopravních strojů a v elektrické trakci (vlaky, metro, tramvaje). Ve spojení s generátorem je schopen ideálně nahradit mechanickou převodovku.

Derivační elektromotor má elektromagnet statoru napájený paralelně s rotorem. Otáčky tohoto motoru jsou méně závislé na zátěži motoru. Navíc lze proud statoru samostatně regulovat.

Kompaundní (také kompaudní nebo kompoudní) elektromotor neboli elektromotor se smíšeným buzením má sériové i paralelní vinutí, jejichž magnetické toky působí buď souhlasně, nebo proti sobě. Působí-li obě vinutí stejným směrem, má motor větší záběrný moment než motor s paralelním buzením a otáčky se nesnižují tolik jako u motoru se sériovým buzením. Působí-li sériové vinutí proti paralelnímu, udržuje motor otáčky při proměnném zatížení. Zvětší-li se zatížení, otáčky klesnou, sériovým vinutím prochází větší proud, buzení se zesílí a otáčky se opět zvýší.

Čtěte také: Objevte Zázraky Přírody

Výhodou stejnosměrných motorů je relativní jednoduchost a univerzálnost využití. Sériové a derivační motory mohou fungovat nejen na stejnosměrný, ale i střídavý proud nízkých frekvencí. Jsou to tedy motory univerzální. Další výhodou proti motorům střídavým je možnost dosáhnout libovolných mechanicky dosažitelných otáček (motory na střídavý proud mají obvykle otáčky omezeny frekvencí sítě - 50 Hz = 3000 ot./min). Největší nevýhodou stejnosměrných motorů je existence komutátoru.

Střídavé Motory

Pokud je zapotřebí větší výkon, např. v průmyslu, při výrobě nebo u elektrických strojů, nejsou elektromotory napájeny střídavým napětím, ale trojfázovým střídavým proudem, zvaným také „trojfázový proud“. Pro elektroinstalace se využívá rozdíl napětí mezi jednou ze tří fází (L1, L2 nebo L3) a neutrálním vodičem (N).

Třífázový asynchronní stroj ASM je nejrozšířenějším a nejběžnějším typem elektromotoru. Stator nese třífázové vinutí tj. tři stejné cívky vzájemně pootočené o 120° elektrických. Zvláštním případem je jednofázový asynchronní stroj, který má dvě různé cívky vzájemně pootočené o 90° elektrických (hlavní a pomocné vinutí). Třífázový ASM je možno napájet z jednofázové soustavy. Musí být vhodně upraveno zapojení statoru a připojen kondenzátor.

U střídavého dvoupólového stroje s jedním pólpárem (jeden severní a jeden jižní pól) platí, že mechanický a elektrický úhel je shodný. Dvoupólové stroje mají synchronní otáčky 3000 min-1/50 Hz. U vícepólových strojů zůstávají úhly ve stupních elektrických stejné bez ohledu na počet pólů a proto se používají. Mechanický úhel mezi jednotlivými póly jsou podílem úhlu elektrického a počtu pólpárů. Ve stejném poměru se snižují synchronní otáčky stroje.

Synchronní Motory

Rotor stroje je tvořen magnetem nebo elektromagnetem, stator, na nějž je přiveden střídavý proud, vytváří pulzní nebo častěji rotující magnetické pole. Rotor se snaží uchovat si svoji konstantní polohu vůči otáčivému magnetickému poli vytvářenému průchodem střídavého proudu ve statoru, drží se v synchronismu až do kritického kroutícího momentu. Vůči poli statoru si udržuje skluz o úhel podle zátěže: Změnou zátěže se úhel změní přechodovým jevem, kývání rotoru, kdy se i cyklicky po určitou dobu (řádově sekundy) pravidelně mění otáčky rotoru.

Synchronní motory mají řadu nevýhod - je třeba je roztočit na pracovní otáčky jiným strojem nebo pomocným asynchronním rozběhovým vinutím (především rozběh jako hvězda, samotný chod pak zapojen do trojúhelníku), pokud pod zátěží ztratí synchronizaci s rotujícím polem, skokově klesne jejich výkon a zastaví se. Proto jsou využívány jen ve speciálních případech (např. pohon gramofonu, kdy jsou nevýhody vyváženy požadavkem na pravidelnost otáček o celočíselném násobku frekvence elektrické sítě (za předpokladu, že frekvence napájecí sítě je skutečně konstantní).

Asynchronní Motory

Asynchronní motor má proti synchronnímu jinou konstrukci rotoru. Rotor se obvykle skládá ze sady vodivých tyčí, uspořádaných do tvaru válcové klece. Tyče jsou na koncích vodivě spojeny a rotor se pak nazývá „kotva nakrátko“. Tím, že se tyče rotoru (nebo vodiče vinutí rotoru) pohybují v magnetickém poli vytvářeném statorem, se v rotoru indukuje elektrický proud. Proto se asynchronní motor také někdy nazývá „indukční motor“.

Rotor se skládá z hřídele (1) s okrouhlými a vzájemně izolovanými železnými lamelami (2). V rotoru je uložených více masivních kovových tyčí (na obrázku nejsou viditelné), které slouží jako vodiče proudu. Na obou stranách rotoru jsou kovové tyče vodivě spojené (vyzkratované) vždy s jednou kovovou deskou (3). Magnetické pole statorových cívek (4) indukuje ve vodičích rotorové klece proud, který na své straně rovněž vytváří magnetické pole.

Z důvodu vysokého náběhového proudu se výkonné trojfázové motory spouštějí v zapojení do hvězdy (nákres A). Díky tomu jsou vždy dvě ze tří cívek (SP1 až SP3) uspořádané v sérii mezi fázemi. Počet otáček závisí na síťové frekvenci a na počtu dvojic cívek. Pokud je nutná regulace otáček, je potřeba použít frekvenční měniče. Frekvenční měniče mění pevnou frekvenci střídavého napětí v napájecí síti na variabilní frekvenci pro připojený motor.

Protože rotor dobíhá magnetické pole statoru a není synchronní, jsou tyto motory nazývány také jako asynchronní motory. Naproti tomu u synchronního motoru se rotor otáčí synchronně s točivým polem statoru.

Reluktanční Motory

Reluktanční síla se označuje také jako Maxwellova síla. To lze nejlépe popsat na příkladu cívky (1) otevřeného obdélníkového tvaru (2) ze železných plíšků. Reluktanční motor pracuje na přesně stejném principu. Reluktanční motor je zkonstruovaný podobně jako trojfázový motor. Nicméně rotor reluktančního motoru není dimenzovaný jako rotor nakrátko. Kromě toho sestává z mnoha na sebe navrstvených železných plíšků, které vykazují určitý tvar. Díky jednoduché konstrukci lze motor vyrobit lacino, a protože se v kotvě, resp. rotoru nenacházejí vodiče, nedochází také ke ztrátám ve vedení. Díky tomu může motor pracovat nanejvýš efektivně.

Abychom si mohli názorně vysvětlit princip fungování reluktančního motoru, uvádíme v tomto příkladu pouze 12 cívek/pólů ve statoru. V praxi se ovšem používá mnohem více cívek, takže jejich póly leží mnohem blíže vedle sebe. Cívky se stejnou barvou jsou vzájemně propojené a jsou vždy ovládány současně. Jakmile proud protéká modrými cívkami, vytvoří se na obrázku zakreslené magnetické pole (červené linie) podle směru vinutí cívek. Pokud jsou modré cívky vypnuty a žluté cívky zapnuty, rotor se nově vyrovná a otočí se přitom o kousek ve směru hodinových ručiček. V praxi následuje ovládání cívek za pomoci frekvenčního měniče. Směr otáčení rotoru a také rychlost točivého pole tak lze individuálně nastavit a ovládat.

Protože se rotor vždy vyrovná podle magnetického pole, jedná se také o synchronní motor.

EC Motory

Síťové střídavé napětí je usměrňováno v komutační elektronice motoru EC. Záložní střídač poskytuje motoru, v závislosti na poloze, napětí podobně, jako u měniče kmitočtu. Oproti tomuto jsou již všechny parametry optimálně vzájemně sladěné. Inteligentní komutační technika EC rozhoduje v závislosti na poloze, směru otáček a zadání počtu otáček, jak budou fáze motoru ve statoru proudově zabezpečeny (komutace). V rotoru produkují permanentní magnety magnetické protipole. Ze střídavého účinku pole statoru a rotoru vzniká potřebný moment otáček, který je pro rotaci nezbytný. Montážní příruba na rotoru slouží stabilní montáži oběžných kol. Jednoduché a rychlé elektrické připojení probíhá v závislosti na konstrukční řadě motoru buď přes skříň svorkovnice s kabelovými šroubovými spoji nebo připojovacím kabelem. Použití oboustranně uzavřených radiálních kuličkových ložisek se speciálně přizpůsobeným mazáním zaručuje bezhlučný provoz bez nároků na údržbu. Použitím inteligentní elektroniky mohou být z motoru EC převzaty, v závislosti na oblasti použití, nejrůznější regulační a řídící funkce (plynulé řízení počtu otáček, regulace tlaku, regulace průtoku, teploty a kvality vzduchu).

tags: #elektromotor #princip #fungovani #vyroba

Oblíbené příspěvky:

• Biografické aspekty Židlochovic
• Význam vodní páry v přírodě
• Hlášení emisí – termíny
• Druhy kontejnerů na odpad
• Program školy v přírodě Sloup