Elektromotor

rôzne druhy elektromotorov

Elektromotor je elektrické zariadenie premieňajúce elektrický prúd na mechanickú prácu, resp. na mechanický pohyb – rotačný pohyb (rotačný motor) alebo lineárny pohyb (lineárny motor).

Opačným zariadením ku elektromotoru je zariadenie premieňajúce mechanickú prácu na elektrickú energiu – dynamo a alternátor. Konštrukčne sú si elektromotory a dynamá resp. alternátory veľmi podobné.

Princíp činnosti

Elektromotory využívajú fyzikálny jav elektromagnetizmus, ale existujú i motory založené na iných elektromechanických javoch napr. elektrostatika, piezoelektrický jav a pod.

Základným princípom elektromagnetizmu je vzájomné silové pôsobenie elektromagnetických polí vytváraných elektrickými vodičmi ktorými preteká elektrický prúd, resp. interakcia týchto polí s magnetickým poľom permanentného magnetu. Túto silu nazývame Lorentzova sila.

Každý elektromotor sa skladá z dvoch základných častí – statickej čiže nepohybujúcej sa časti – statora, a pohyblivej časti (obvykle rotujúcej) rotora.

V bežnom rotačnom motore je rotor umiestnený tak, aby magnetické pole vytvárané vo vodičoch rotora a magnetické pole statora vyvíjali krútiaci moment prenášaný na rotor stroja. Tento krútiaci moment potom spôsobí rotáciu rotora, motor sa otáča a tým vykonáva mechanickú prácu.

Väčšina elektrických motorov je skonštruovaná na rotačnom princípe (jednoduchšia konštrukcia), ale existujú aj netočivé elektromotory, napr. lineárny elektromotor, kedy rotor stroja je tvorený statickými cievkami umiestnenými okolo vodiacej dráhy lineárneho stroja (rotor je ako keby rozvinutý do dĺžky a neotáča sa). V elektrickom točivom stroji sa rotujúca časť stroja nachádza obvykle vo vnútri, rovnomerne obklopená statorovým vinutím. Jednosmerný elektromotor môže obsahovať pevne spojenú sadu elektromagnetov alebo magnetov umiestnených obvykle na rotore, pri striedavých asynchrónnych elektromotoroch (najbežnejší typ) je iné konštrukčné usporiadanie – ide o zvláštny elektrický obvod vo forme vodivej klietky v spojení nakrátko.

Delenie

• Jednosmerný motor
  • S permanentnými magnetmi
  • S elektromagnetmi
  • Sériový motor
  • Derivačný motor (paralelný)
  • Sériovo-paralelný motor
• Striedavý motor
  • Synchrónny
    • Krokový motor
  • Asynchrónny
    • Jednofázový
    • Trojfázový

Jednosmerný elektromotor

Elektromotor na jednosmerný prúd.

Motor s permanentnými magnetmi

je najjednoduchším motorom na jednosmerný prúd. Jeho stator je tvorený permanentným magnetom. Rotor tvorí elektromagnet s pólmi. Elektrický prúd je do cievok rotora privádzaný cez komutátor, čo je vlastne rotačný prepínač. Jeho úlohou je meniť polaritu elektrického prúdu a tým aj polaritu magnetického poľa prechádzajúceho cievkami. Počet prepínacích plôšok komutátora zodpovedá počtu cievok (najmenej dve). Konštrukcia komutátora zaisťuje, že sily pôsobiace na póly rotora majú stále rovnaký smer. V okamihu prepnutia polarity udržuje beh tohoto motora v správnom smere zotrvačnosť rotora. Počet pólov rotora ovplyvňuje plynulosť chodu motora, a silu potrebnú na jeho rozbeh (záberový moment). Čím viac pólov, tým plynulejší chod. Obvyklý počet je štyri.

Vzhľadom na to, že výkon motora je závislý od veľkosti permanentného magnetu sa takáto konštrukcia používa len pre malé elektromotory. Využitie je na pohon ventilátorov používaných pri chladení v elektrotechnike, modelárske motorčeky pre pohon hračiek a pod. Výhodou motora s permanentným magnetom je možnosť meniť smer otáčania zmenou polarity napájania.

Príkladom je motor s dvoma permanentnými magnetmi a dvojpólovým rotorom. Komutátor (oranžová farba) spôsobí zmenu smeru (zmenu polarity) prúdu + a − (− a +) po každom pootočení o 180°. Tým dôjde k zmene smeru indukčných siločiar v cievke.

• Princíp činnosti jednosmerného motora
• 
  Rotor je napájaný cez (oranžová) komutátor pomocou jednosmerného napätia. Stator je tvorený dvoma permanentnými magnetmi (modrý a červený poloblúk, farba reprezentuje polaritu statora).
• 
  Súhlasné póly elektromagnetu (magnetu) sa odpudzujú a rozdielne priťahujú. Táto sila spôsobí roztočenie rotora.
• 
  Opačné póly sa priťahujú, rotor sa stále otáča. V okamihu, kedy sa rotor dostane do vodorovnej polohy, komutátor prepne polaritu magnetického poľa rotora a odpudivé sily znovu udržia rotor v pohybe.

Sériový elektromotor

Keďže pre väčšie motory by bol potrebný rozmerný (a drahý) permanentný magnet, tak namiesto neho sa pre statory väčších elektromotorov používa elektromagnet. Pokiaľ je vinutie spojené s vinutím rotora do série, hovoríme o sériovom elektromotore. Tento typ elektromotoru má točivý moment nepriamo úmerný otáčkam. Tento efekt sa využíva predovšetkým v dopravných strojoch a pri elektrickom pohone dopravných prostriedkov (vlak, metro, trolejbus, električka). V spojení s generátorom je schopný nahradiť mechanickú prevodovku. Sériové elektromotory nájdeme aj ako alternatívny pohon automobilov.

Derivačný elektromotor

Derivačný elektromotor má elektromagnet statora napájaný paralelne s vinutím rotora. Otáčky tohto motora sú menej závislé od záťaže elektromotora. Navyše je možné prúd statora samostatne regulovať. Preto sa tento typ motora používa v strojoch, kde sú požadované rovnomerné otáčky.

Výhody a nevýhody

Rýchlosť jednosmerného motora je priamo úmerná veľkosti napájacieho napätia a záťaži na výstupnom hriadeli (brzdný moment). Rýchlosť motora pri danom brzdnom momente je úmerná napätiu a točivý moment je úmerný prúdu. Rýchlosť motora je možné regulovať zmenou vstupného napätia.

Výhodou jednosmerného motora je jeho jednoduchosť a univerzálnosť. Sériový a derivačný motor môžu pracovať aj na striedavý prúd nízkych frekvencií. Ďalšou výhodou oproti striedavým motorom je možnosť dosiahnuť ľubovoľné (reálne mechanicky dosiahnuteľné) otáčky (motory na striedavý prúd majú obvykle otáčky obmedzené frekvenciou elektrorozvodnej siete, napr. pri dvojpólovom asynchrónnom motore 50Hz = 3000 ot/min). Preto sa tieto motory používajú napr. vo vŕtačkách, mixéroch, na pohon automobilov a dopravných zariadení (napr. lokomotívy, trolejbusy, električky a pod.).

Najväčšou nevýhodou jednosmerných motorov je existencia komutátora. Je to mechanický prepínač, ktorý spína veľké prúdy a je preto náročný na údržbu a zoradenie. Zároveň je mechanicky a elektricky (iskrenie) veľmi namáhaný, a po čase je nutná výmena zberačov (uhlíkov), neskôr i celého komutátora (resp. rotora). Iskrenie je zdrojom elektromagnetického rušenia, ktoré sa musí tlmiť dodatočnými elektrickými obvodmi. S rozvojom silnoprúdovej elektroniky (výkonové tyristory, triaky, tranzistory) sú jednosmerné motory postupne vytláčané motormi s rotujúcim magnetickým poľom budeným elektronicky.

Reverzácia a brzdenie

Sériové a derivačné motory neumožňujú zmenou polarity vstupného napätia meniť smer otáčania rotora (prepólovanie rotora prepóluje aj stator) čiže smer otáčania ostane zachovaný. Pre zmenu smeru otáčania je preto potrebné oddeliť napájanie statora a rotora. Pretože jednosmerné motory fungujú aj ako generátory, je ich možné využiť ako elektrodynamickú brzdu.

Striedavý elektromotor

Elektromotor na striedavý prúd. Jeho vynálezcom je Nikola Tesla.

Synchrónny elektromotor

Trojfázový synchrónny elektromotor, šípky reprezentujú silové vektory generované interakciou magnetických polí statora a rotora

Rotor elektromotora je tvorený magnetom alebo elektromagnetom, stator do ktorého je privádzaný striedavý elektrický prúd vytvára pulzné rotujúce magnetické pole. Rotor sa snaží udržať polohu súhlasiacu s týmto poľom. Magnet umiestnený v rotore sa snaží uchovať si svoju konštantnú polohu voči otáčavému magnetickému poľu vytvorenému prechodom striedavého elektrického prúdu cievkami statora.

Synchrónne motory majú celý rad nevýhod – je potrebné ich roztočiť na pracovné otáčky iným strojom, alebo pomocným asynchrónnym rozbehovým vinutím. Pokiaľ pod záťažou stratia synchronizáciu s rotujúcim elektromagnetickým poľom, skokovo klesne ich výkon a zastavia sa. Preto sa používajú iba v špeciálnych prípadoch kedy sú ich nevýhody vyvážené požiadavkou na pravidelnosť otáčok. Zo synchrónneho motora sa vyvinul krokový motor a striedavý servomotor.

Krokový elektromotor

Krokový motor je špeciálny druh viacpólového synchrónného motora. Využíva sa predovšetkým tam kde je potrebné presne riadiť nie len otáčky, ale aj konkrétnu polohu rotora. Používajú sa v presnej mechanike, regulačnej technike, robotike a pod. Základny princíp krokového motora je – prúd prechádzajúci cievkou statora vytvorí magnetické pole, ktoré pritiahne opačný pól magnetu rotora. Motor je schopný v tejto polohe presne stáť. Vhodnou kombináciou zapojenia cievok vznikne rotujúce krokové magnetické pole, ktoré nielen otáča rotorom, ale zabezpečuje aj jeho presnú polohu voči statoru. Kvôli prechodovým javom je rýchlosť otáčania motora limitovaná. Pri jej prekročení motor začne strácať kroky.

Podľa spôsobu riadenia krokových motorov rozoznávame unipolárne a bipolárne motory. Pri unipolárnom riadení prechádza prúd v jednom okamihu práve jednou cievkou. Výhodou je malý odber, nevýhodou malý krútiaci moment. Pri bipolárnom riadení prechádza prúd vždy dvoma protiľahlými cievkami s navzájom opačne orientovanými magnetickými poľami. Výhodou je väčší krútiaci moment, väčšia stabilita kroku, nevýhodou vyššia spotreba.

Asynchrónny elektromotor

Asynchrónny motor (jednofázový alebo viacfázový, najčastejšie trojfázový) má oproti synchrónnemu inú konštrukciu rotora. Rotor sa obvykle skladá zo sady vodivých tyčí, usporiadaných do tvaru valcovej klietky. Tyče sú na koncoch vodivo spojené a rotor sa potom nazýva „kotva nakrátko“. Pri stojacom motore rotujúce magnetické pole statora budí (indukuje) v tyčiach rotora elektrické prúdy, ktoré vytvárajú elektromagnetické pole rotora. Obe magnetické polia potom vzájomnou interakciou vytvárajú elektromotorickú silu. Otáčky rotora vzrastajú. Priblížením otáčok rotora „otáčkam“ magnetického poľa statora klesajú indukované prúdy a intenzita nimi vytváraného poľa, klesajú tým i otáčky rotora a zároveň točivý moment motora. Pokiaľ je motor aspoň minimálne zaťažený, nikdy nedosiahne otáčky danými frekvenciou napájacieho napätia – nikdy s nimi nebude synchrónny – z toho názov asynchrónny motor.

Tento druh motora je v praxi najbežnejší. Používa sa v mnohých oblastiach priemyslu, dopravy, v domácnostiach. Jeho výkon sa pohybuje od stoviek wattov až do mnoho sto kilowattov. Tento druh motora postupne vytláča sériový elektromotor, používaný hlavne v pohonoch dopravných zariadení (jednosmerné napájanie je elektronicky pretransformované na striedavé).

Lineárny elektromotor

Lineárny elektromotor je mnohopólový elektromotor "v rozvinutom stave". Stator elektromotora je roztiahnutý do dĺžky. Motor sa netočí, pohyb je vykonávaný v rovine. Jedna časť lineárneho motora je inštalovaná v pohyblivej časti (rotor), druhá je súčasťou pohybovej dráhy (stator). Výhodou je že nemá zberač prúdu. Využíva sa napr. v doprave pre pohon vlakov na magnetickom vankúši (skúšobný okruh rýchlovlaku MAGLEV je vybudovaný pri Hamburgu v Nemecku).

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Elektromotor