Elektromotor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
(Přesměrováno z Synchronní motor)
Skočit na: Navigace, Hledání
Běžné třífázové asynchronní elektromotory

Elektromotor je elektrický stroj, který slouží k přeměně elektrické energie na mechanickou práci. Jako elektromotor bývají používány indukční stroje pracující na principu elektromagnetické indukce. Většinou jde o točivé stroje, ale existují i netočivé elektrické stroje, např. lineární elektromotor. Konstrukce většiny elektrických strojů umožňuje přechod z motorického do generátorického režimu provozu stroje a proto nebývají konstrukčně odlišné. Konstrukční odlišnost el. strojů vychází především z konkrétní aplikace. Elektrické stroje přeměňující mechanickou práci na elektrickou označujeme jako generátor, alternátor, dynamo.

Princip elektromotoru[editovat | editovat zdroj]

Obecná schematická značka elektromotoru

Elektromotor[1] přeměňuje elektrickou energii na mechanickou, případně také naopak.

Většina elektromotorů je založena na využití silových účinků magnetického pole. Většinou se využívá působení Lorentzova zákona síly. Na vodič nacházející se 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). V konečném důsledku na sebe silově působí dvě spřažená magnetická pole ve společném - spřaženém magnetickém obvodu (statoru, rotoru a vzduchové mezery).

Zjednodušeně si lze představit, že se využívá vzájemné přitahování a odpuzování dvou elektromagnetů, nebo elektromagnetu a permanentního magnetu. Sílu a polaritu elektromagnetu můžeme řídit velikostí protékajícího elektrického proudu.

Současně s působením elektromagnetické síly je ve vodiči idukovno elektrické napětí. Platí pro vodič, který je ve vzájemném pohybu vůči magnetickému poli, nebo leží v časově proměnném magnetickém poli, nebo obojí současně. (U=B.l.v – jednotky V; T, m, m.s−1). Tento jev se projevuje v brzdovém, motorickém i generátorickém chodu stroje.


Při konstrukci elektromotorů je také využíváno silové působení mezi elektromagnetem a tělesem, které má různé reluktance, tj. různé magnetické vodivosti. Vyžívána je v reluktančních motorech, kde jsou využívány rozdíly reluktance zubové kotvy (vzduch/zub). Zjednodušeně si lze představit, že v reluktančním stroji je využíváno vzájemné přitahování elektromagnetu a železa.

Zkonstruovat je možné i elektromotory využívající jiné fyzikální principy, např. elektrostatické síly, piezoelektrický jev, nebo přeměnu elektřiny na teplo, ale v současnosti se tyto jevy pro konstrukci elektromotorů téměř nepoužívají.

Elektrický stroj má tři režimy provozu:

  • motorický režim - el. stroj odebírá elektrickou energii z elektrického zdroje (el. síť, baterie, generátor) a přeměňuje ji na mechanickou energii na hřídeli.
  • generátorický režim - el. stroj odebírá na hřídeli mechanickou energii z připojeného mechanického zdroje energie (kinetická, polohová energie, spalovací motor, parní turbína, parní stroj, klika, vrtule větrné elektrárny, ...). Mechanická energie je přeměněna na elektrickou energii, která je dodávána do elektrické sítě, do akumulátorové baterie, nebo do připojené elektrické zátěže.
  • režim brzdy - el. stroj odebírá elektrický výkon z el. zdroje. Odebraný el. výkon působí proti mechanické výkonu na hřídeli, tj. působí proti mechanickému pohybu. Elektrická i mechanická energie je v elektrickém stroji přeměňována na teplo. Teplo se vyvíjí především v kotvě el. stroje, která se značně ohřívá. Proto brzdný režim smí být využíván jen krátkodobě.

Konstrukce[editovat | editovat zdroj]

Běžný elektrický stroj (elektromotor nebo generátor) je složen ze čtyř základních funkčních celků.

  • Elektrický obvod – proudový obvod, je tvořen vinutím – cívkami s izolací, svorkami nebo přípojnicemi. Některé stroje mají komutátor nebo kroužky. Vinutí ve formě cívek (nebo klece) jsou uložena v drážkách magnetického obvodu.
Komutátor je prstenec složený z mnoha vzájemně izolovaných lamel. K lamelám jsou připojeny jednotlivé vývody cívek kotvy. Ke komutátoru přiléhá dvojice (nebo více) kartáčů. Komutátor dynama slouží jako mechanický usměrňovač indukovaného střídavého napětí a proudu ve vodičích kotvy. Komutátor motoru slouží jako střídač, měnící směr proudu ve vodičích kotvy. V moderních strojích je komutátor nahrazován polovodičovým měničem kmitočtu (BLDC stroje).
Kroužek má tvar prstýnku na který je připojen el. vývod. Na kroužek dosedá sběrací kartáč. Kroužek nemění směr proudu. Kroužky slouží k elektrickému připojení pohyblivých částí (vinutí). Střídavé (třífázové) elektrické stroje mívají obvykle tři kroužky. Stejnosměrný budící obvod synchronního stroje má dvojici kroužků.
  • Magnetický obvod je tvořen feromagnetiky. Magnetický obvod u střídavých strojů a kotev komutátorových strojů (i stejnosměrných) je vždy tvořen vzájemně elektricky izolovanými transformátorovými plechy. Magnetický obvod statorů stejnosměrných strojů bývá opracovaný odlitek.
Magnetický obvod vede magnetický tok vytvářený vinutím nebo permanentními magnety. Vinutí bývají umístěna v drážkách magnetického obvodu.
  • 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. Mechanická konstrukce stroje má zaručovat, že stroj nebude mechanicky kmitat vlastními kmity.
Důležitým parametrem (především u rotačních strojů) je délka vzduchové mezery, která má být minimální.
  • Chlazení zajišťuje odvod tepla vznikajícího ohmickými ztrátami ve vinutí, ztrátami v magnetickém obvodu vířivými proudy a mechanickými ztrátami v ložiscích. Chlazení může být provedeno jako přirozené, nucené s vlastním ventilátorem, nucené cizím ventilátorem, kapalinové (vodní), plynem (vodík). Překročením provozní teploty izolace dochází k překotnému stárnutí – degradaci izolací. Vlivem vysoké teploty je životnost izolace zkrácena na zlomek předpokládané životnosti. U strojů s permanentními magnety hrozí odmagnetování při překročení Curieho teploty. Pro výpočet předpokládaných teplot dosažených odporovou ztrátou je používána Benešova konstanta, která byla definována českým elektroinženýrem Vítem Benešem (*Chrudim) a byla úspěšně implementována při automatizované výrobě komutátorů ve společnosti Komutex.

Elektrický stroj[editovat | editovat zdroj]

Točivý stroj má dvě části:

  • Stator je pevná část stroje, která bývá vnější částí stroje. Na statoru bývají upevněny cívky vinutí s magnetickým obvodem, magnety a elektromagnety. V dutině statoru je pohyblivě umístěn rotor.
  • Rotor je otočná část stroje s magnetickým obvodem, vinutím a hřídelí, na které jsou 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 rotor se vykonává mechanickou práci. Elektrické točivé stroje jsou obvykle konstruovány tak, že se rotující část stroje nachází obvykle uvnitř statoru. Obrácenou konstrukci mají například stroje, u kterých je požadován zvýšený moment setrvačnosti – například magnetofony napájené napětím o síťovém kmitočtu.

Stejnosměrný stroj[editovat | editovat zdroj]

Stejnosměrný stroj má magnetický obvod statoru i s pólovými nástavci zhotoven z plného materiálu. Magnetický tok obvodu je buzen permanentními magnety nebo budicím vinutím. Dále jsou na statoru instalovány držáky kartáčů a ložiskové štíty. Budicí vinutí je k rotoru připojeno sériově, paralelně (derivační), kompaudní (smíšené), cizí buzení, permanentní magnet, ... Magnetický obvod rotoru, který nese vinutí připojené na komutátor, je vždy zhotoven z transformátorových plechů.

Střídavý stroj[editovat | editovat zdroj]

Asynchronní stroj je nejrozšířenější a nejběžnější typ elektromotoru. Stator nese třífázové nebo jednofázové vinutí. Vinutí rotoru je tvořeno klecí spojeným nakrátko nebo vinutím vyvedeným na kroužky (kroužkový ASM). Rotorové proudy, statorové proudy, moment a otáčky je možno řídit vnějším obvodem zapojeným na kroužky.

Univerzální stroj[editovat | editovat zdroj]

Většina běžných elektrických motorů je konstruována na rotačním principu, ale existují i netočivé varianty elektromotorů, například lineární elektromotor, u nějž je stator nebo rotor 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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

Nejjednodušší komutátorový stroj[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

Protikompaudní zapojení se používá u dynam, u motorů není prakticky použitelné.

Obecné vlastnosti komutátorových strojů[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

Motory založené na točivém poli[editovat | editovat zdroj]

Synchronní stroj[editovat | editovat zdroj]

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.[2]

Ze synchronního motoru se vyvinul krokový motor a střídavý servomotor.

Asynchronní motor[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku 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[editovat | editovat zdroj]

Krokový motor[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku 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[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku 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). Používal se pro pohon čtecích hlav starších (převážně sálových) HDD jednotek. 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[editovat | editovat zdroj]

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.[zdroj?] Doplněním vhodnou planetovou převodovkou je možno optimalizovat potřebný moment k otáčkám pohonu.

Související články[editovat | editovat zdroj]

Literatura[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. Jak se dělá elektromotor [1] Elektro 2/2011
  2. NOVÁK, Jaroslav. Uplatnění synchronních strojů v dopravní technice (1. část). Elektro [web]. 2006, čís. 06 [cit. 2009-08-11]. Dostupné online. ISSN 1210-0889.  
Logo Wikimedia Commons
Wikimedia Commons nabízí obrázky, zvuky či videa k tématu