Elektromotor
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Elektromotor je stroj, měnící elektrickou energii na mechanickou práci. Opačnou přeměnu, tedy změnu mechanické práce na elektrickou energii, provádí generátor nebo dynamo. Často jsou tato zařízení identická (až na konstrukční detaily).
Většina elektromotorů pracuje na elektromagnetickém principu, ale existují i motory založené na jiných elektromechanických jevech jako elektrostatické síly, piezoelektrický efekt či tepelné účinky proudu. Základním principem, na němž jsou elektromagnetické motory založeny, je vzájemné silové působení vodičů, kterými protéká elektrický proud. Tuto sílu popisuje Lorentzův zákon síly.
V běžném rotačním motoru je umístěn rotor tak, aby vodiče rotoru a magnetické pole statoru vyvíjely točivý moment kolem osy rotoru. Působením tohoto momentu je způsobeno otáčení.
Většina elektrických motorů je rotačních, ale existuje například i lineární elektromotor. V rotačním motoru se rotující část (obvykle uvnitř) nazývá rotor a statická (pevná) část se nazývá stator. Motor obsahuje pevně spojenou sadu elektromagnetů umístěných obvykle na rotoru. I když se tento rám často nazývá kotva, jde o nesprávné použití termínu. „Kotva“ je ta část motoru, která koná práci, nebo ta část generátoru, přes kterou se generuje výstupní napětí. Podle typu motoru může jako kotva sloužit rotor i stator.
Obsah |
[editovat] Motory na stejnosměrný proud
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 otáčivé magnetické pole kolem drátu.
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.
[editovat] Motor s permanentním magnetem
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 procházejícího kotvou dvakrát během každé otáčky. Tím zajistí, že síla působící na póly rotoru má stále stejný směr. V okamžiku přepnutí polarity udržuje běh tohoto motoru ve správném směru setrvačnost.
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 je možnost snadno měnit směr otáčení polaritou vstupního napětí.
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.
|
Rotor (kotva) je přes oranžový komutátor připojen ke zdroji stejnosměrného napětí. Stator je tvořen dvěma velkými permanentními magnety. |
[editovat] Sériový elektromotor
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 (narozdíl od AC) proto často nalezneme také v levnějších přestavbách elektromobilů.
[editovat] Derivační elektromotor
Derivační elektromotor má elektromagnet statoru napájený paralelně s motorem. 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.
[editovat] Obecné vlastnosti stejnosměrných motorů
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 a točivý moment je úměrný proudu. Rychlost motoru lze regulovat změnou vstupního napětí.
Výhodou stejnosměrných motorů je relativní jednoduchost a univerzálnost využití. Sériový a derivační motor 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 - 50Hz = 3000 ot/min). Proto tyto motory nacházejí uplatnění v takových strojích, jako jsou vrtačky, mixéry, ale třeba i automobily a lokomotivy.
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. Jiskření na kartáčcích (obvykle tvořených bloky uhlíku) je zdrojem významného elektrického rušení. S rozvojem levnější a spolehlivější elektroniky jsou proto stejnosměrné motory postupně vytlačovány motory s rotujícím magnetickým polem buzeným elektronicky.
[editovat] Reverzace chodu stejnosměrných motorů
U sériových a derivačních motorů nelze změnít 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.
[editovat] Elektrodynamická brzda
Protože stejnosměrné motory mohou fungovat i jako generátory, lze je využít jako součást elektrodynamické brzdy.
[editovat] Motory na střídavý proud
[editovat] Synchronní motor
Synchronní motor je v principu obrácený generátor střídavého proudu. Rotor je tvořen magnetem nebo elektromagnetem, stator, na nějž je přiveden střídavý proud, vytváří pulzní nebo častěji rotující magnetické pole. Rotor se snaží udržet polohu souhlasící s tímto polem.
Synchronní motory mají řadu nevýhod - je třeba je roztočit na pracovní otáčky jiným strojem nebo pomocným asynchronním rozběhovým vinutím, pokud pod zátěží ztratí synchronizaci s rotujícím polem, skokově klesne jejich výkon a zastaví se. Proto jsou využívány jen ve speciálních případech, kdy jsou nevýhody vyváženy požadavkem na pravidelnost otáček o celočíselném násobku frekvence elektrické sítě. Ze synchronního motoru se vyvinul krokový motor a střídavý servomotor
[editovat] 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. Rotující magnetické pole indukuje v tyčích stojícího rotoru proudy, které zpětně reagují s magnetickým polem a vzniká elektromotorická síla. Otáčky rotoru rostou. Tím, jak se přibližují otáčky rotoru otáčkám magnetického pole, klesají indukované proudy a tím i točivý moment motoru. Pokud je motor alespoň minimálně zatížen, nikdy nedosáhne otáček daných frekvencí napájecího proudu (není s ní synchronní - proto asynchronní motor).
Tento druh motoru se využívá v mnoha oblastech průmyslu a dopravy - typicky ve výkonech stovek wattů a vyšších. S rozvojem levných a výkonných elektronických řídicích systémů nahrazuje postupně tento druh motoru sériový elektromotor.
[editovat] Další druhy motorů
[editovat] 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, robotice a podobných oborech
[editovat] Lineární elektromotor
Lineární elektromotor je mnohapólový motor, jehož stator je rozvinut do přímky. Využívá se například v dopravě pro pohon vlaků na magnetickém polštáři. (Zkušební okruh rychlovlaku MAGLEV je vybudován nedaleko Hamburku)
[editovat] Střídavý servomotor
Střídavé servomotory (AC)jsou bezkartáčové synchronní motory s permanentními magnety na rotoru a třífázovým vinutím ve statoru. Optimalizovaná konstrukce motoru s použitím nových magnetických materiálů dovoluje až 5-násobné momentové přetížení a tyto motory jsou proto vhodné pro dynamicky náročné úlohy s nízkou spotřebou jako provoz silničních elektromobilů. Doplněním vhodnou planetovou převodovkou je možno optimalizovat potřebný moment k otáčkám pohonu.


