13. září 2021 je velmi významné datum pro naši Encyklopedii !!
Máme zcela novou kancelář, která leží přímo u obchodního centra Atrium Flora a stanice metra Flora !
Naše stará adresa je definitivně nahrazena novou — Jičínská 226/17, 130 00 Praha 3 - Žižkov.

Elektromotor

Z Multimediaexpo.cz

Třífázový asynchronní elektromotor (schéma)

Elektromotor je elektrický, obvykle točivý stroj, měnící elektrickou energii na mechanickou práci. Opačnou přeměnu, tedy změnu mechanické práce na elektrickou energii, provádí generátor, např. dynamo či alternátor. Často bývají tato zařízení velmi podobná či zcela identická (až na některé drobné konstrukční detaily).

Obsah

Princip elektromotorů

Většina elektromotorů pracuje na elektromagnetickém principu, ale existují i motory založené na jiných elektromechanických jevech jako jsou elektrostatické síly, piezoelektrický jev či tepelné účinky průchodu elektrického proudu. Základním principem, na němž jsou elektromagnetické motory založeny, je vzájemné silové působení elektromagnetických polí vytvářených vinutími, kterými protéká proud, nebo permanentními elektromagnety. Tuto sílu popisuje Lorentzův zákon síly.

Konstrukce

V běžném elektromotoru (nebo generátoru) můžeme rozlišit čtyři základní funkční celky. Motory založené na jiných principech (např. na piezoelektrickém jevu) jsou zatím spíše konstrukčními kuriozitami.

  • Elektrický obvod, který je tvořen vinutími, izolací, přípojnicemi a případně také komutátorem nebo kroužky. Vinutí mohou být provedena ve formě cívek, mohou být rozložena v drážkách, nebo se může jednat o „klec“ (rotor některých asynchronních motorů). Kroužky slouží k přivedení elektrického proudu do pohyblivých vinutí, komutátor má podobný účel, avšak navíc ještě mění směr proudu. V moderních strojích může být komutátor nahrazen polovodičovým měničem (BLDC stroje).
  • Magnetický obvod slouží k vedení magnetického pole vytvářeného vinutími nebo permanentními magnety. Vinutí bývají často umístěna ve drážkách magnetického obvodu, tvořeného většinou transformátorovými plechy.
  • Mechanická konstrukce musí umožnit přenos síly na hřídel motoru, ochranu před dotykem rotujících částí a musí zajistit spolehlivý chod motoru, aby při vysokých obvodových rychlostech rotoru nedošlo k jeho rozpadu. Kritickou funkcí mechanické konstrukce je zajištění malé konstantní vzduchové mezery mezi rotorem a statorem, u vysokootáčkových motorů se přidává problém mechanického kmitání.
  • Chlazení musí zajistit odvod tepla vznikajícího ohmickými ztrátami ve vinutí, ztrátami vířivými proudy v magnetickém obvodu a případně také mechanickými ztrátami v ložiscích. Při přehřátí motoru dochází k jeho poškození kvůli degradaci izolace. U strojů s permanentními magnety rovněž hrozí odmagnetování při překročení Curieho teploty.

V elektrickém točivém stroji se rotující část stroje nachází obvykle uvnitř a podle své základní funkce se nazývá rotor. Statická (pevná) část stroje se nazývá stator. Rotační motor je konstruován tak, aby na sebe působila pole rotoru a pole statoru a vytvářela kroutící moment přenášený na rotor stroje. Rotor se tak točí a vykonává mechanickou práci. Stejnosměrný elektromotor může obsahovat pevně spojenou sadu elektromagnetů, umístěných obvykle na statoru, a vinutý rotor. U střídavých asynchronních elektromotorů (nejběžnější typ elektromotoru vůbec) mívá rotor jiné konstrukční uspořádání: obvykle se jedná o zvláštní elektrický obvod ve formě vodivé klece s vinutím buď vyvedeným na kroužky (kroužkový AM), nebo spojeným nakrátko. Většina běžných elektrických motorů je konstruována na rotačním principu, ale existují i netočivé varianty elektromotorů, například lineární elektromotor, u nějž je stator stroje rozvinut a tvoří pás umístěný podél pojezdové dráhy stroje. Tento druh motorů se v technické praxi používá zejména pro některá speciální dopravní zařízení.

Kotva

Rotor komutátorového stroje se nazývá také kotva podle tvaru jeho nejjednodušší konstrukce o minimálním nutném počtu třech vinutích, připojených na všechny tři lamely komutátoru, kdy vystouplé póly tvarem skutečně připomínají lodní kotvu. Jako kotva bývá označována část motoru, která je napájena pracovním proudem, nebo ta část dynama, která generuje výstupní napětí, a to i v případech, kdy rotor tvarem lodní kotvu nepřipomíná. Výraz kotva se přeneseně používá i pro rotory jiných (i nekomutátorových) strojů, např. pro asynchronní motor s kotvou nakrátko, nebo dokonce i pro stroje, u kterých se rotor neotáčí uvnitř statoru, ale naopak okolo něj (ventilátory).

Komutátorové stroje

Soubor:Motor.png
Stejnosměrný motor.

Jeden z prvních rotačních elektromotorů, možná i vůbec první, vynalezl Michael Faraday v roce 1821. Motor se skládal z volně zavěšeného drátu ponořeného do nádrže rtuti. Ve středu nádrže byl umístěn permanentní magnet. Elektrický proud procházel drátem, drát rotující kolem magnetu pak prokazoval, že proud vytvořil kolem drátu točivé magnetické pole. Moderní motor na stejnosměrný proud byl náhodně objeven v roce 1873, když Zénobe Gramme vodivě spojil roztočené dynamo s druhým stojícím dynamem, z něhož se tím stal napájený motor.

Komutátorový stroj s permanentními magnety s dvoupólovou kotvou

Nejjednodušší komutátorový stroj

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. (Principiálně se tento motor trochu podobá střídavému synchronnímu motoru, kde rotační přepínání směru proudu a jím vytvářeného magnetického pole zajišťuje sama elektrorozvodná síť.) Komutátor zajistí, že se v cívce změní směr proudu + a − (− a +) po každém pootočení o 180° (u dvoupólového motoru). Takto dochází ke změně směru indukčních siločar v cívce.

Běžný komutátorový stroj buzený magnety

Motory s permanentním magnetem se dodnes využívají například v modelářství. Jen kotva je obvykle minimálně třípólová, aby nevznikal problém s mrtvým úhlem motoru. Výhodou motoru s permanentním magnetem obecně je možnost snadno měnit směr otáčení polaritou vstupního napětí, výhodou při porovnání s ostatními komutátorovými stroji je úspora statorového vinutí.

Komutátorový stroj cize buzený

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). Využíval se po rozvoji výkonové elektroniky (pulzní měniče). Využívá se u českých lokomotiv řady 163, 263, 363.

Sériový

Místo permanentního magnetu se pro statory běžných větších motorů využívá elektromagnetu. 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. Dostupnější sériový elektromotor (na rozdíl od střídavých) proto často nalezneme také v levnějších přestavbách elektromobilů.

Odbuzený nezatížený sériový komutátorový stroj

S odbuzením nezatíženého stroje hyperbolicky rostou vlastní otáčky stroje, což je nebezpečné: U příliš vysokých rychlostí hrozí vylétávání lamel z komutátoru nebo úplné roztržení stroje, s podstatným ohrožením majetku a zdraví i životů lidí.

Derivační

Derivační elektromotor má elektromagnet statoru napájený paralelně s rotorem. Otáčky tohoto motoru jsou méně závislé na zátěži motoru. Navíc lze proud statoru samostatně regulovat. Proto se tento typ motoru využívá především u strojů, kde jsou požadovány relativně neměnné otáčky.

Kompaundní

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. Používá se k pohonu výtahů, bagrů, trolejbusů atd.

Protikompaundní

Obecné vlastnosti komutátorových strojů

Rychlost motoru na stejnosměrný proud obecně závisí na velikosti napětí a proudu procházejících vinutím motoru a na zátěži neboli velikosti brzdného momentu. Rychlost motoru při daném brzdném momentu je úměrná napětí, točivý moment je úměrný proudu. Rychlost motoru lze regulovat změnou pracovního napětí a buzením. Výhodou stejnosměrných motorů je relativní jednoduchost a univerzálnost využití. Sériový 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). Proto tyto motory nacházejí uplatnění v takových strojích, jako jsou vrtačky, mixéry, ale třeba i automobily a dopravní zařízení s elektrickou trakcí (např. lokomotivy, trolejbusy, tramvaje či vozy metra). Největší nevýhodou stejnosměrných motorů je existence komutátoru. Je to mechanický přepínač, který spíná velké proudy a je – kromě náchylnosti k poruchám – náročný na údržbu a seřízení, jedná se o mechanicky poměrně značně namáhané zařízení vyžadující pravidelnou údržbu či výměnu některých jeho součástí. Jiskření na kartáčcích (tvořených obvykle bloky čistého uhlíku) je zdrojem významného elektromagnetického rušení. S rozvojem levnější a spolehlivější silnoproudé elektroniky (tedy zejména výkonovými tyristory a tranzistory) jsou proto stejnosměrné motory postupně vytlačovány motory s rotujícím magnetickým polem buzeným elektronicky.

Reverzace chodu stejnosměrných motorů

U sériových a derivačních motorů nelze změnit směr otáčení pouhým přepólováním napájecího napětí celého motoru – protože by došlo k přepólování statoru i rotoru, směr otáčení by zůstal zachován. Pro změnu směru je třeba přepólovat jen stator nebo jenom rotor.

Brzdění

Lze brzdit protiproudem, reverzací. Protože stejnosměrné motory mohou fungovat i jako dynama, lze je využít jako součást elektrodynamické brzdy: Zmenšením vlastních otáček, například nabuzením, stroj přejde z motorického režimu do generátorového.

Bezkomutátorové motory

Motory založené na točivém poli

Synchronní stroj

3 fázový synchronní elektromotor v pohybu, vektory ukazují výsledné magnetické pole vytvořené statorem.


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. Výkonová zátěžová charakteristika se nazývá V-křivka. Synchronní alternátory jsou téměř výhradní generátory střídavého proudu do sítě. 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). V současné době se ovšem uplatňují i v pohonu dopravních prostředků.[1] Ze synchronního motoru se vyvinul krokový motor a střídavý servomotor.

Asynchronní motor

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“. Frekvence magnetického pole statoru v souřadnicích rotoru je úměrná odchylce otáček rotoru od tzv. synchronních otáček. Proud tyčí rotoru v magnetickém poli statoru vyvolává sílu, která otáčí rotorem. Podle principu superpozice stačí pro hrubé odvození momentu uvažovat proudy rotoru a magnetické pole generované proudy statoru, protože samotné magnetické pole rotoru nemůže vyvolat v rotoru točivý moment. Když je rychlost otáčení rotoru rovná rychlosti otáčení magnetického pole statoru, je magnetické pole statoru v souřadnicích rotoru stacionární (tyče rotoru se vůči magnetickému poli statoru nepohybují), takže nedochází k indukci a točivý moment motoru je nulový. Z toho plyne, že když je motor alespoň minimálně zatížen, v ustáleném stavu nedosáhne ideálních otáček daných frekvencí napájecího proudu, vzniká tzv. skluz (při jmenovitém zatížení je obvykle v řádu několika procent synchronní frekvence). V běžném provozním stavu motor nedosahuje „synchronních“ otáček – proto se nazývá asynchronní motor. Vzhledem k jednoduché konstrukci, robustnosti a možnosti bezjiskrového provedení je tento druh motoru v praxi nejběžnější, je využíván v mnoha oblastech průmyslu, dopravy i v domácnostech. Výkon asynchronních motorů se pohybuje od několika wattů až do mnoha set kilowattů. Díky poklesu ceny výkonových polovodičů a řídicích systémů nahrazuje postupně tento druh motoru sériový elektromotor, užívaný zejména v pohonech určených pro elektrickou trakci (kolejová vozidla a trolejbusy).

Další druhy motorů

Krokový motor

Krokový motor je speciální druh mnohapólového synchronního motoru. Využívá se především tam, kde je třeba přesně řídit nejen otáčky, ale i konkrétní polohu rotoru. Nachází uplatnění v přesné mechanice, regulační technice, robotice a podobných oborech. Krokový motor je unipolární nebo bipolární.

Lineární elektromotor

Lineární elektromotor je mnohapólový motor, jehož stator je rozvinut do přímky. Využívá se například v dopravě pro pohon vlaků na magnetickém polštáři (Maglev). V poslední době se lineární motor hojně využívá i pro rozhoupávání zvonů. Na lineárním principu také pracují speciální elektrické stroje určené pro přeměnu elektrické energie na mechanickou energii ve formě zvuku – reproduktory. Další využití je v přesných CNC obráběcích strojích (typicky brusy), kde jemný magnetický pohyb vítězí nad mechanickými převody, jež trpí vůlemi.

Střídavý servomotor

Střídavé servomotory jsou bezkartáčové synchronní motory s permanentními magnety na rotoru a třífázovým vinutím ve statoru. Optimalizovaná konstrukce motoru s použitím nových magnetických materiálů dovoluje až pětinásobné momentové přetížení, a tyto motory jsou proto vhodné pro dynamicky náročné úlohy s nízkou spotřebou, jako je provoz silničních elektromobilů. Doplněním vhodnou planetovou převodovkou je možno optimalizovat potřebný moment k otáčkám pohonu.

Související články

Literatura

  • Roubíček Ota: Elektrické motory a pohony - příručka techniky, volby a užití vybraných druhů, BEN - technická literatura, 2004, ISBN 80-7300-092-X
  • Štěpán Berka; Elektrotechnická schémata a zapojení 1; BEN - technická literatura, Praha 2008, ISBN 978-80-7300-229-9, str. 140-171 (zapojení stykačových kombinací pro spouštění elektromotorů)
  • Štěpán Berka; Elektrotechnická schémata a zapojení 2; BEN - technická literatura, Praha 2010, ISBN 978-80-7300-254-1, str. 22-60 a 89-143 (zapojení svorkovnic elektromotorů, stykačových kombinací a vačkových spínačů pro spouštění elektromotorů)

Reference

  1. NOVÁK, Jaroslav. Uplatnění synchronních strojů v dopravní technice (1. část). Elektro [web]. 2006, čís. 06 [cit. 2009-08-11]. Dostupné online. ISSN 1210-0889.  
Commons nabízí fotografie, obrázky a videa k tématu
Elektromotor