Zpravy

Princip činnosti elektromotorů

Elektromotor je zařízení pro přeměnu elektřiny na rotační pohyb rotační části elektrického stroje. Tyto elektrické stroje jsou široce používány ve všech průmyslových odvětvích, jako pohon pro elektrická vozidla a nářadí, v automatizačních systémech, domácích spotřebičích a tak dále. V tomto článku se podíváme na konstrukci elektromotoru, jeho hlavní části, typy, principy fungování a také na to, kde se elektromotory používají.

Allot hlavní části elektromotoru – rotor (rotující část, která přeměňuje elektromagnetickou energii na energii mechanickou) a stator (nehybná část vytvářející magnetické pole). K přeměně energie v motorech dochází v důsledku interakce magnetických polí vinutí statoru a rotoru.

Existuje mnoho typů elektromotorů, které se liší principem činnosti, konstrukcí, výkonem a dalšími vlastnostmi.

Podle principu činnosti se elektromotory dělí na:

magnetoelektrický
hysterický

Navzdory jednoduchosti konstrukce a vysokému počátečnímu točivému momentu nejsou tyto motory široce používány. Tyto elektromotory mají vysokou cenu a nízký účiník, což omezuje jejich použití. Naprostá většina vyráběných elektromotorů je magnetoelektrická.

Podle typu napájecího napětí se rozlišují následující typy elektromotorů:

DC motory.
AC motory.
Univerzální elektromotory.

Elektromotory jsou klasifikovány podle účelu, klimatického provedení, stupně ochrany proti vlhkosti a cizím předmětům, výkonu a dalších parametrů.

Třídy elektromotorů:

DC
- Bezkomutátorový EC (elektronicky komutovaný)
- Se štětci
  - Se sekvenčním buzením
  - S paralelním buzením
  - Se smíšeným vzrušením
  - S permanentními magnety
  - AC proud
    - Univerzální
    - Synchronní
    - Indukce
      - jednofázový
      - Třífázový
      Typy elektromotorů
      
      DC motory
      
      Stejnosměrné motory jsou široce používány jako pohon pro elektrická vozidla, průmyslová zařízení a také jako mikropohon pro akční členy. Takové elektromotory mají následující výhody:
      - Možnost nastavení rychlosti otáčení změnou napětí v budícím vinutí. Současně zůstává točivý moment na hřídeli DMT (stejnosměrné motory) nezměněn.
      - Vysoká účinnost (účinnost) stejnosměrných strojů je o něco vyšší než u nejběžnějších střídavých asynchronních motorů. Při částečném zatížení hřídele účinnost DPT je o 10-15% vyšší.
      - Možnost výroby DPT malých rozměrů. Téměř všechny použité mikropohony jsou určeny pro stejnosměrný proud.
      - Jednoduchost řídicích obvodů. Spouštění, reverzace a řízení otáček a točivého momentu nevyžaduje složité elektronické vybavení ani velké množství spínacích zařízení.
      - Schopnost pracovat v režimu generátoru. Elektromotory tohoto typu lze použít jako zdroje stejnosměrného proudu.
      - Vysoký rozběhový moment. DPT se používají jako součást elektrických pohonů pro jeřáby, trakční a zvedací mechanismy, kde je vyžadováno startování při značném zatížení.
      DBT se vyznačuje metodou buzení, jsou to:
      - S permanentními magnety. Takové motory jsou malé velikosti. Jejich hlavní oblastí použití jsou mikropohony.
      - S elektromagnetickým buzením.
      Elektrické stroje s elektromagnety tohoto typu jsou široce používány. Jsou klasifikovány podle způsobu připojení vinutí statoru:
      - Motory s paralelním buzením. Vinutí kotvy a statoru u elektrického stroje tohoto typu jsou zapojeny paralelně. Takové elektrické stroje nevyžadují přídavný zdroj energie pro budicí vinutí, rychlost otáčení rotoru je prakticky nezávislá na zatížení. Používají se k pohonu obráběcích strojů a dalších zařízení.
      - Elektromotory se sériově zapojeným statorovým vinutím. DFC tohoto typu mají značný rozběhový moment. Používají se jako pohon pro elektrická vozidla a průmyslové instalace, které vyžadují startování pod zatížením.
      - Motory s nezávislým buzením. Pro napájení statorového vinutí takových elektrických strojů se používá nezávislý zdroj stejnosměrného proudu. DVT tohoto typu se vyznačují širokým rozsahem regulace rychlosti.
      - Elektrické stroje se smíšeným buzením. Elektromagnet pole v takových motorech je rozdělen na 2 části. Jeden z nich je zapojen paralelně, druhý sériově s vinutím kotvy. Stroje tohoto typu se používají v mechanismech a zařízeních, kde je vyžadován vysoký rozběhový moment a také variabilní a konstantní otáčky s proměnným momentem.
      AC motory
      
      Elektrické stroje tohoto typu jsou široce používány pro pohon všech typů technologických zařízení, elektrického nářadí a automatických regulátorů. Na základě rozdílu mezi rychlostí otáčení magnetického pole statoru a rychlostí rotoru se rozlišují synchronní a asynchronní motory.
      
      Asynchronní elektromotory
      
      Díky nízké ceně a jednoduché konstrukci jsou stroje tohoto typu široce používány. Jejich zásadním rozdílem je přítomnost tzv. skluzu. Jedná se o rozdíl mezi frekvencí otáčení magnetického pole stacionární části elektrického stroje a rychlostí otáčení rotoru. Napětí na rotující části je indukováno střídavým magnetickým polem vinutí statoru motoru. Rotace způsobuje interakci mezi polem elektromagnetů stacionární části a magnetickým polem rotoru, které vzniká vlivem vířivých proudů v něm indukovaných. Na základě vlastností vinutí statoru se rozlišují následující typy elektromotorů:
      - Jednofázové střídavé motory. Motory tohoto typu vyžadují ke spuštění externí prvek pro posun fáze. Může to být spouštěcí kondenzátor nebo indukční zařízení. Oblastí použití jednofázových motorů jsou pohony s nízkým výkonem.
      - Dvoufázové elektrické stroje. Takové motory mají 2 vinutí s fázemi posunutými vůči sobě navzájem. Používají se také pro domácí přístroje a zařízení, které mají nízký výkon.
      - Třífázové a vícefázové elektromotory. Nejběžnější typ asynchronních strojů. Elektromotory tohoto typu mají 3 nebo více statorových vinutí, fázově posunutých o určitý úhel.
      Podle konstrukce rotoru se asynchronní stroje dělí na motory s kotvou nakrátko a vinutým rotorem.
      
      Vinutí rotoru elektrických strojů prvního typu se skládá z několika neizolovaných tyčí z mědi nebo slitin hliníku, uzavřených na obou stranách kroužky (provedení „klece nakrátko“). Asynchronní motory tohoto typu mají následující výhody:
      - Poměrně jednoduché startovací schéma. Takové elektrické stroje mohou být připojeny přímo k elektrické síti prostřednictvím spínacích zařízení.
      - Přípustnost krátkodobých přetížení.
      - Možnost výroby vysoce výkonných elektrických strojů. Tento typ motoru neobsahuje posuvné kontakty, které zabraňují nárůstu výkonu.
      - Relativně jednoduchá údržba a opravy. Asynchronní elektrické stroje mají jednoduchou konstrukci.
      - Nízká cena. Asynchronní motory jsou levnější než synchronní stroje a stejnosměrné motory.
      Elektrické stroje s rotorem nakrátko mají své nevýhody:
      - Maximální rychlost otáčení není vyšší než 3000 ot./min při vstupu do synchronního režimu.
      - Technicky komplexní provedení regulace rychlosti.
      - Vysoké zapínací proudy při přímém spouštění.
      Elektromotory s vinutým rotorem jsou částečně zbaveny nevýhod, které jsou vlastní strojům s konstrukcí rotoru nakrátko. Rotační část elektrického stroje tohoto typu má vinutí zapojená do hvězdicového obvodu. Napětí je přiváděno do vinutí přes 3 kontaktní kroužky namontované na rotoru a izolované od něj.
      
      Takové elektromotory mají následující výhody:
      - Schopnost omezit rozběhové proudy pomocí odporu zahrnutého v obvodu elektromagnetu rotoru.
      - Vyšší startovací moment než u elektrických strojů s rotorem nakrátko.
      - Možnost nastavení rychlosti.
      Nevýhodou těchto motorů jsou jejich relativně velké rozměry a hmotnost, vysoká cena a složitější opravy a údržba.
      
      Princip činnosti střídavého synchronního elektromotoru
      
      Stejně jako u asynchronních elektromotorů se rotace rotoru u synchronních strojů dosahuje interakcí polí rotoru a statoru. Rychlost rotoru takových elektrických strojů se rovná frekvenci magnetického pole vytvářeného statorovými vinutími.
      
      Vinutí stacionární části motoru je navrženo pro napájení třífázovým napětím. Na elektromagnety rotoru je připojeno konstantní napětí. Existují vinutí s vyčnívajícími póly a bez vyčnívajících pólů. Synchronní motory s nízkým výkonem používají permanentní magnety.
      
      Spuštění a zrychlení synchronního stroje se provádí v asynchronním režimu. K tomuto účelu má rotor motoru vinutí klece nakrátko. Stejnosměrné napětí je do elektromagnetů přiváděno až po zrychlení na jmenovitý kmitočet asynchronního režimu. Synchronní motory mají následující vlastnosti:
      - Konstantní rychlost otáčení při proměnném zatížení.
      - Vysoká účinnost a účiníku.
      - Malá reaktivní složka.
      - Tolerance přetížení.
      Mezi nevýhody synchronních elektromotorů patří:
      - Vysoká cena, poměrně složitý design.
      - Obtížný start.
      - Potřeba zdroje konstantního napětí.
      - Potíže s nastavením rychlosti otáčení a točivého momentu na hřídeli.
      Všechny nedostatky střídavých elektrických strojů lze napravit instalací softstartéru nebo frekvenčního měniče. Důvodem pro výběr konkrétního zařízení je ekonomická proveditelnost a požadované vlastnosti elektrického pohonu.
      
      Univerzální motory
      
      Samostatnou skupinu tvoří univerzální elektromotory, které mohou pracovat ze sítě střídavého proudu a ze zdrojů stejnosměrného napětí. Používají se v elektrickém nářadí, domácích spotřebičích a dalších nízkoenergetických zařízeních. Konstrukce takového elektrického stroje se zásadně neliší od stejnosměrného motoru. Hlavním rozdílem je konstrukce magnetického systému a vinutí rotoru. Magnetický systém se skládá ze sekcí, které jsou od sebe izolované, aby se snížily magnetické ztráty. Vinutí rotoru takového stroje je rozděleno na 2 části. Při napájení střídavým proudem je napětí přiváděno pouze do jeho poloviny. To se provádí za účelem snížení rádiového rušení a zlepšení spínacích podmínek.
      
      Mezi výhody takových strojů patří:
      - Vysoká rychlost otáčení. Univerzální elektromotory dosahují rychlosti až 10 000 otáček za minutu nebo více.
      - Napájeno střídavým a stejnosměrným napětím. Motory tohoto typu jsou široce používány pro elektrické nářadí, které má přídavné baterie.
      - Možnost regulace rychlosti bez použití přídavných zařízení.
      Takové elektrické stroje však mají své nevýhody:
      - Omezený výkon.
      - Nutnost servisu kolektorové jednotky.
      - Obtížné spínací podmínky při napájení střídavým napětím kvůli přítomnosti transformátorového spojení mezi vinutími.
      - Elektromagnetické rušení při připojení ke střídavému proudu.
      Každý typ motoru má své výhody a nevýhody. Volba elektrického stroje pro pohon jakéhokoli zařízení se provádí na základě provozních podmínek, požadované rychlosti otáčení, ekonomické proveditelnosti, typu zatížení a dalších parametrů.
      
      Pokusili jsme se podrobně analyzovat, co je elektromotor, jeho hlavní části, princip činnosti a typy
      
      Princip činnosti elektromotorů. Základní pojmy.
      
      Magnetismus
      
      Nejcharakterističtější magnetický jev – přitahování kousků železa magnetem – je znám již od starověku. Další velmi důležitou vlastností magnetů je přítomnost pólů: severní (záporný) a jižní (kladný). Opačné póly se přitahují a jako póly se odpuzují.
      
      Magnetické pole
      
      Magnetické pole může být konvenčně reprezentováno čarami ve formě magnetického toku pohybujícího se od severního pólu k jihu. V některých případech je určení, kde je severní a jižní pól, poměrně obtížné.
      
      Elektromagnetismus
      
      Kolem vodiče, když jím prochází elektrický proud, vzniká magnetické pole. Tento jev se nazývá elektromagnetismus. Fyzikální zákony jsou stejné pro magnetismus a elektromagnetismus.
      
      Magnetické pole kolem vodičů lze posílit jejich navinutím na cívku s ocelovým jádrem. Když je vodič navinut kolem cívky, všechny čáry magnetického toku generované každým závitem se spojí a vytvoří kolem cívky jediné magnetické pole.
      
      Čím více závitů na cívce, tím silnější je magnetické pole. Toto pole má stejné vlastnosti jako přirozené magnetické pole, a proto má také severní a jižní pól.
      
      Otáčení hřídele elektromotoru je způsobeno působením magnetického pole. Hlavní části elektromotoru: stator a rotor.
      
      Rotor:
      
      Pohyblivá část elektromotoru, která se otáčí s hřídelí elektromotoru a pohybuje se spolu s magnetickým polem statoru.
      
      Stator:
      
      Pevná součást elektromotoru. Obsahuje několik vinutí, jejichž polarita se mění, když jimi prochází střídavý proud (AC). Vzniká tak kombinované magnetické pole statoru.
      
      Rotace pod vlivem magnetického pole
      
      Výhodou magnetických polí vytvářených cívkami s proudem je schopnost prohodit póly magnetu změnou směru proudu. Právě tato schopnost měnit póly se využívá k přeměně elektrické energie na mechanickou energii.
      
      Stejně jako se póly magnetů odpuzují, opačné póly se přitahují. O této vlastnosti lze říci, že se používá k vytvoření kontinuálního pohybu rotoru neustálou změnou polarity statoru. Rotor je zde magnet, který se může otáčet.
      
      Rotace pólů pomocí střídavého proudu
      
      Rotace pólů pomocí střídavého proudu
      
      Polarita se neustále obrací pomocí střídavého proudu (AC). Dále uvidíme, jak je rotor nahrazen magnetem, který se otáčí vlivem indukce. Střídavý proud zde hraje důležitou roli, proto bude užitečné zde o něm uvést několik stručných informací:
      
      Střídavý proud – AC
      
      Střídavým proudem se rozumí elektrický proud, který periodicky mění svůj směr v obvodu tak, že průměrná hodnota proudu za dané období je nulová. Rotující magnetické pole lze vytvořit pomocí třífázového napájení. To znamená, že stator je připojen k třífázovému střídavému zdroji. Kompletní cyklus je definován jako cyklus 360 stupňů. To znamená, že každá fáze je umístěna pod úhlem 120 stupňů vůči druhé. Fáze jsou znázorněny jako sinusové křivky, jak je znázorněno na obrázku.
      
      Třífázový střídavý proud
      
      Třífázové napájení je nepřetržitá řada překrývajících se napětí střídavého proudu (AC).
      
      Přepólování
      
      Následující stránky vysvětlují, jak se rotor a stator vzájemně ovlivňují, aby se motor otáčel.
      
      Pro názornost jsme nahradili rotor otočným magnetem a stator cívkami. Na pravé straně stránky je obrázek dvoupólového třífázového elektromotoru. Fáze jsou spojeny ve dvojicích: 1. fáze odpovídá cívkám A1 a A2, 2. fáze – B1 a B2 a 3. fáze odpovídá C1 a C2. Když je proud přiváděn do cívek statoru, jedna z nich se stane severním pólem, druhá se stane jižním pólem. Pokud je tedy A1 severní pól, pak A2 je jižní pól.
      
      Napájení střídavým proudem
      
      Vinutí fází A, B a C jsou vůči sobě umístěna pod úhlem 120 stupňů.
      
      Počet pólů elektromotoru je určen počtem průsečíků pole vinutí s polem rotoru. V tomto případě je každé vinutí zkříženo dvakrát, což znamená, že máme dvoupólový stator. Pokud by se tedy každé vinutí objevilo čtyřikrát, byl by to čtyřpólový stator atd.
      
      Když je na fázová vinutí přiveden elektrický proud, hřídel motoru se začne otáčet rychlostí určenou počtem pólů (čím méně pólů, tím nižší rychlost)
      
      Rotace rotoru
      
      Dále je popsán fyzikální princip činnosti elektromotoru (jak se rotor otáčí uvnitř statoru). Pro názornost vyměňme rotor za magnet. Všechny změny v magnetickém poli probíhají velmi rychle, takže musíme celý proces rozdělit na etapy. Při průchodu třífázového střídavého proudu vinutím statoru v něm vzniká magnetické pole, jehož výsledkem jsou mechanické síly, které způsobují otáčení rotoru ve směru otáčení magnetického pole.
      
      Jakmile se magnet začne otáčet, bude sledovat měnící se magnetické pole statoru. Statorové pole se změní tak, aby se udrželo otáčení v jednom směru.
      
      Indukce
      
      Dříve jsme zjistili, jak se běžný magnet otáčí ve statoru. Střídavé motory mají spíše rotory než magnety. Náš model je velmi podobný skutečnému rotoru, až na to, že rotor je polarizován vlivem magnetického pole. To je způsobeno magnetickou indukcí, díky které se ve vodičích rotoru indukuje elektrický proud.
      
      Indukce
      
      Rotor funguje v podstatě stejně jako magnet. Když je elektromotor zapnutý, proud protéká vinutím statoru a vytváří elektromagnetické pole, které se otáčí ve směru kolmém na vinutí rotoru. Ve vinutí rotoru se tedy indukuje proud, který pak kolem rotoru a polarizace rotoru vytváří elektromagnetické pole.
      
      V předchozí části, aby bylo snazší vysvětlit princip fungování rotoru, jeho nahrazení magnetem pro názornost. Nyní vyměníme stator za magnet. Indukce je jev, ke kterému dochází, když se vodič pohybuje v magnetickém poli. Relativní pohyb vodiče v magnetickém poli vede ke vzniku tzv. indukovaného elektrického proudu ve vodiči. Tento indukovaný proud vytváří magnetické pole kolem každého vinutí vodiče rotoru. Protože třífázové střídavé napájení způsobuje rotaci magnetického pole statoru, indukované magnetické pole rotoru bude následovat tuto rotaci. Tímto způsobem se bude hřídel motoru otáčet. Střídavé motory se často nazývají AC indukční motory nebo AC indukční motory.
      
      Princip činnosti elektromotorů
      
      Indukční motory se skládají z rotoru a statoru.
      
      Proudy ve vinutí statoru jsou vytvářeny fázovým napětím, které pohání indukční motor. Tyto proudy vytvářejí rotující magnetické pole, nazývané také pole statoru. Rotující magnetické pole statoru je určeno proudy ve vinutích a počtem fázových vinutí.
      
      Rotující magnetické pole vytváří magnetický tok. Rotující magnetické pole je úměrné elektrickému napětí a magnetický tok je úměrný elektrickému proudu.
      
      Rotující magnetické pole statoru se pohybuje rychleji než rotor, což podporuje indukci proudů ve vinutích vodičů rotoru, což má za následek vznik magnetického pole rotoru. Magnetická pole statoru a rotoru tvoří své vlastní toky, tyto toky se budou vzájemně přitahovat a vytvářet točivý moment, který způsobuje otáčení rotoru. Princip činnosti indukčního motoru je znázorněn na obrázcích vpravo.
      
      Rotor a stator jsou tedy nejdůležitější součásti střídavého indukčního motoru. Jsou navrženy pomocí CAD (Computer Aided Design). Dále si povíme podrobněji o konstrukci rotoru a statoru.
      
      Stator motoru
      
      Stator je stacionární elektrická součást elektromotoru. Obsahuje několik vinutí, jejichž polarita se neustále mění, jak jimi prochází střídavý proud (AC). Vzniká tak kombinované magnetické pole statoru.
      
      Všechny statory jsou instalovány v rámu nebo krytu. Skříň statoru elektromotorů Grundfos pro elektromotory do 22 kW je nejčastěji vyrobena z hliníku a pro elektromotory s vyšším výkonem – z litiny. Samotný stator je instalován v tělese statoru. Skládá se z tenkých plátů elektrooceli obalených izolovaným drátem. Jádro se skládá ze stovek takových desek. Při napájení proudem prochází vinutím střídavý proud a vytváří elektromagnetické pole kolmé na vodiče rotoru. Střídavý proud (AC) způsobuje rotaci magnetického pole.
      
      Izolace statoru musí splňovat požadavky normy IEC 62114, která poskytuje různé třídy ochrany (teplotní úrovně) a změny teploty (AT). Elektromotory Grundfos mají třídu ochrany F a při zvýšení teploty třídu B. Grundfos vyrábí 2-pólové motory s výkonem do 11 kW a 4-pólové motory s výkonem do 5,5 kW. Grundfos nakupuje výkonnější elektromotory od jiných společností, jejichž kvalita výrobků odpovídá standardům Grundfos. U čerpadel se používají hlavně statory se dvěma, čtyřmi a šesti póly, protože otáčky hřídele elektromotoru určují tlak a průtok čerpadla. Stator může být vyroben tak, aby zvládal různá napětí, frekvence a výstupní výkony a také proměnný počet pólů.
      
      Rotor motoru
      
      Elektromotory využívají tzv. „veverčí kola“ (rotory v kleci), jejichž konstrukce připomíná veverčí bubny.
      
      Když se stator otáčí, magnetické pole se pohybuje kolmo na vinutí vodičů rotoru; objeví se proud. Tento proud cirkuluje vinutími vodičů a vytváří magnetická pole kolem každého vodiče rotoru. Protože se magnetické pole ve statoru neustále mění, mění se i pole v rotoru. Tato interakce způsobuje pohyb rotoru. Stejně jako stator je rotor vyroben z elektroocelových plechů. Ale na rozdíl od statoru s vinutími vyrobenými z měděného drátu jsou vinutí rotoru vyrobena z litého hliníku nebo siluminu, které fungují jako vodiče.
      
      Asynchronní elektromotory
      
      V předchozích částech jsme diskutovali o tom, proč se střídavé motory také nazývají indukční motory nebo motory s veverčím kolem. Dále si vysvětlíme, proč se jim také říká asynchronní elektromotory. V tomto případě se bere v úvahu vztah mezi počtem pólů a počtem otáček rotoru elektromotoru.
      
      Frekvence otáčení magnetického pole se považuje za frekvenci synchronního otáčení (Ns). Synchronní rychlost lze vypočítat následovně: frekvence linky (F) vynásobená 120 a dělená počtem pólů (P).
      
      Pokud je například frekvence sítě 50 Hz, pak synchronní otáčky pro 2-pólový elektromotor jsou 3000 min-1.
      
      S rostoucím počtem pólů se synchronní rychlost snižuje. Níže uvedená tabulka ukazuje synchronní rychlost pro různé počty pólů.
      
      Číslo póly
      
      Synchronní rychlost 50 Hz
      
      Synchronní rychlost 60 Hz