Elektromotor
nazad
Najviac elektrickej energie spotrebúvajú v domácnostiach, fabrikách či firmách práve elektromotory.
Preto im musíme venovať mimoriadnu pozornosť. Elektromotory tvoria základ mechanizácie
a automatizácie a tak je celkom bežné, keď v jedinom priemyselnom závode pracujú stovky niekedy
i tisíce elektromotorov. Komu sa to nezdá, nech si len spomenie koľko ich máme v dome a v byte
v ktorom žijeme: elektrická chladnička, fén, elektrický vláčik, práčka, mixér, ventilátor, kamera,
fotoaparát, kuchynský robot, vysávač, mikrovlnka, elektrický nôž, holiaci strojček, DVD prehrávač,
DVD mechanika, pevný disk, tlačiareň, vysávač, šijací stroj, digestor, výťah, garážová brána, elektrické
hodiny a rad ďalších domácich, domových či záhradných elektrických spotrebičov. Základnou
súčasťou všetkých je elektromotor. K rôznym účelom potrebujeme i rôzne druhy elektromotorov.
Známe sú derivačné motory, sériové, indukčné, synchrónne, univerzálne, trojfázové komutátorové,
asynchrónne a rad ďalších druhov elektromotorov. Ich stručný popis by vyžadoval mnoho a mnoho
času. A tak sa zoznámime len s niektorými druhmi elektromotorov. Teraz sa budeme venovať iba
niektorým jednosmerným a jednofázovým motorom.
Elektromotory sú stroje, ktoré premieňajú elektrickú energiu na energiu mechanickú. Činnosť
elektromotorov je teda opakom činnosti generátorov, ktoré premieňajú mechanickú energiu na
energiu elektrickú. Dá sa povedať, že konštrukcia elektromotorov a generátorov je veľmi podobná.
Každý elektromotor sa skladá z nepohyblivej časti zvanej stator a z pohyblivej časti zvanej rotor alebo
kotva, ktorá sa otáča spravidla vnútri statora. Základný princíp činnosti elektromotora spočíva
v tom, že prechodom elektrického prúdu vinutím statora a vinutím rotora vytvárame podmienky na
vznik sily pôsobiacej na prúdovodič v magnetickom poli, ktorá rotor roztočí.
Jednosmerné elektromotory pracujú opačne než dynamá. Každé dynamo môže pracovať ako
motor na jednosmerný prúd a teda aj naopak každý jednosmerný elektromotor môže pracovať ako
dynamo na výrobu jednosmerného prúdu. Konštrukčne sa od seba jednosmerný elektromotor
a dynamo líšia iba veľmi málo.
Pozrime sa na princíp jednosmerného elektromotora na obrázku.
Stator tvorí v tom najjednoduchšom prípade permanentný magnet (môže to byť aj elektromagnet
napájaný jednosmerným prúdom). Rotor elektromotoru, ktorý má rovnaký tvar ako rotor dynama,
tvorí valec zložený zo železných plechov. Na jeho povrchu sú žliabky, v ktorých sú uložené vinutia.
Tieto vinutia sú vyvedené na komutátor, zložený zase v tom najjednoduchšom prípade z navzájom
izolovaných polkrúžkov (najčastejšie však z párneho počtu lamiel) a k nim priliehajúcich uhlíkových
kefiek. Ak pripojíme kefky na zdroj jednosmerného prúdu, tak prúd prechádza vždy takým smerom,
že otáčavý účinok dvojica síl F – F nemení svoju orientáciu (obrázok nižšie). A čo sa bude diať ďalej, je
nám už určite jasné. Spomeňte si na pravidlo ľavej ruky. Rotor sa začne otáčať, pri pootočení sa
kefky dotknú susedných lamiel, prúd tak bude pretekať ďalším vinutím rotora pri ktorom je moment
dvojice síl najväčší a tento dej sa bude neustále opakovať a rotor sa bude točiť tak dlho, dokiaľ prívod
prúdu neprerušíme.
Na obrázku vedľa máme závit, ktorý sa otáča
v magnetickom poli o indukcii B. Strany
obdĺžnikového závitu majú veľkosť d a l
a preteká ním prúd o veľkosti I. Strany l závitu
sú stále kolmé na indukčné čiary
magnetického poľa a preto sily ktoré pôsobia
na tieto strany sú rovnaké a rovnajú sa
Fm = B.I.l. Ako vidno aj z obrázka tvoria dvojicu
síl s ramenom dvojice síl d. Takže pre moment
tejto dvojice síl platí M = Fm.d = B.I.l.d.
Z obrázku tiež vidno, že súčin l.d = S (S je
plocha závitu), takže možno písať: M = B. I.S.
V polohe závitu podľa obrázku, je rameno
dvojice maximálne, rovné priamo strane závitu d a preto aj moment dvojice síl, ktorý určuje veľkosť
otáčavého účinku týchto síl je maximálny. Pri pootočení z tejto polohy sa moment zmenšuje až na
nulu, ktorú nadobúda, keď je plocha závitu kolmá na indukčné čiary. Aj preto má rotor viac vinutí aby
komutátor s viacerými lamelami mohol prepnúť prívod prúdu na to vinutie, ktoré má polohu
najbližšie ku tej s maximálnym otáčavým účinkom. Súčin I.S = m predstavuje veľkosť Apérovho
magnetického momentu. Takže možno pre veľkosť momentu dvojice síl písať M = B.m. S týmto
momentom sa operuje nielen pri elektromotoroch, ale napríklad aj v klasickej atómovej fyzike.
V elektromotoroch, ktoré majú zniesť trochu väčšiu záťaž sa nepoužíva na mieste statora
permanentný magnet, ale elektromagnet. Podľa spôsobu zapojenia vinutia statora a rotora
rozoznávame dva hlavné druhy jednosmerných motorov. Jednosmerný sériový motor
a jednosmerný derivačný motor. Aký je medzi nimi rozdiel?
U sériových motorov je vinutie statora a rotora zapojené za sebou ( v sérii) a vinutím statora
a rotora teda preteká rovnaký prúd. V prípade derivačných motorov (paralelných) je vinutie statora
a rotora zapojené vedľa seba (paralelne, alebo v derivácii) a vinutím statora a rotora pretekajú
rôzne prúdy. Teraz si vysvetlíme, kedy tieto dve rozdielne zapojenia používame.
Jednosmerný sériový motor
Ak jednosmerný sériový motor zapojíme, potom v okamžiku rozbehu preteká vinutím rotora
aj statora veľký prúd, ktorý vytvára silné magnetické pole a motor má veľkú ťažnú silu. Akonáhle sa
začne rotor otáčať, jeho vinutie pretína indukčné čiary magnetického poľa statora
a dôsledkom je prekvapivý, ale zákonitý jav – motor začne pracovať súčasne ako dynamo a vo vinutí
rotora sa bude indukovať elektrické napätie. Keďže polarita indukovaného napätia bude opačná
než polarita napätia zdroja (Lenzov zákon), vinutím statora a rotora bude pretekať podstatne nižší
prúd, pričom jeho veľkosť bude závisieť od rozdielu oboch napätí. To je skutočnosť, ktorá má dôležitý
význam. Lepšie to pochopíme z nasledujúceho príkladu.
Motor električky je napájaný zdrojom napätia 600 V a odpor jeho vinutia je 20 Ω. Pri zapnutí je na
svorkách motorčeka napätie 600 V, vinutím preteká prúd I = U : R = (600:20) A = 30 A a výkon
elektrického motorčeka je P = U. I = (600.30) W = 18 kW. Pri určitej väčšej rýchlosti otáčok však vo
vinutí rotoru vzniká indukované napätie 400 V, ktoré má opačnú polaritu než napätie zdroja 600 V,
a tak vinutím motorčeka bude pretekať len prúd pod napätím 600 V – 400 V = 200 V preto prúd
len I = U:R = (200:20) A = 10 A a výkon motorčeka sa pochopiteľne podstatne zníži. To nie je všetko.
Ak rozbehnutý sériový motor zaťažíme, tak sa otáčky rotora spomalia, tým sa vo vinutí rotora zníži
indukované napätie, ale súčasne sa zvýši prúd pretekajúci vinutím a preto ťažná sila motora
vzrastie. Ak naopak motor odľahčíme, tak sa otáčky rotora zrýchlia, vo vinutí rotora sa bude
indukovať vyššie napätie a vinutím bude pretekať nižší prúd. Takže pri veľkom zaťažení sa otáčky
motora znižujú, pri malom zaťažení naopak zvyšujú. Sériový motor teda mení svoje otáčky podľa
zaťaženia, pričom čím menšie má motor otáčky, tým väčší má výkon. Takže sériové motory sa
používajú tam, kde treba veľkú silu pri rozbehu a kde zaťaženie kolíše. To sú výťahy, električky,
lokomotívy, žeriavy a podobne.
Jednosmerný derivačný motor
Na rozdiel od sériového motora je vinutie statora a rotora zapojené ku zdroju napätia paralelne,
alebo v derivácii. Vinutie statora má veľký odpor (cievky s veľkým počtom závitov tenkého drôtu)
a preteká ním prakticky stále rovnaký prúd, ktorý je mnohonásobne nižší (6 %) než prúd pretekajúci
vinutím rotora (94 %). Dôsledok? Otáčky rotora sa s rastúcim zaťažením temer nemenia. Rozdiel
medzi otáčkami nezaťaženého a zaťaženého derivačného motora sa pohybuje u stredne
výkonných motorov okolo 9 %, u výkonnejších motorov je tento rozdiel otáčok menší ako 4 %. Preto
sa používajú sa najmä na pohon takých zariadení, u ktorých požadujeme pokiaľ možno stálu rýchlosť
otáčania i pri zmene zaťaženia. Takéto zariadenia sú napríklad obrábacie stroje, čerpadlá, textilné
stroje a podobne.
Jednofázový komutátorový - sériový motor
Motor na jednofázový prúd sa od jednosmerného sériového motora líši iba tým, že stator nielenže
nemôže byť permanentný magnet, ale musí byť elektromagnet. Jadro statora musí byť zložené
z navzájom izolovaných plechov z mäkkej ocele a väčším merným odporom. Je to kvôli tomu, aby sa
zabránilo jeho zohrievaniu vírivými prúdmi a nevznikali pritom veľké hysterézne straty. Musí sa
použiť trochu väčšie striedavé napätie ako to, ktoré by sme použili pri rovnakej konštrukcii pri
jednosmernom napätí. Keď sa mení súčasne smer prúdu vo vodiči (v cievke rotora) aj smer
magnetického budiaceho poľa, v ktorom je vodič umiestnený (v strede statora), vychyľuje sa vodič
natrvalo jedným smerom. Takže vodiče rotora vytvárajú moment dvojice síl s nemennou orientáciou
teda s rovnakým otáčavým účinkom čo do smeru. Zhrniem: keďže sa mení smer prúdu súčasne
v statore aj rotore nemení sa smer otáčavého účinku momentu dvojice síl pôsobiacich na rotor. Tieto
stroje tvoria pohon väčšiny bežných domácich spotrebičov ako sú pračky, vysávače ...
Na obrázku hore je: vľavo sériový jednosmerný a súčasne jednofázový elektromotor a vpravo
derivačný (paralelný) jednosmerný elektromotor.
Rotor jednofázového sériového elektromotora
s vinutiami, lamelovým komutátorom a jadrom
z plechov z mäkkej ocele.
Činnosť komutátora v malom jednosmernom motorčeku napríklad ventilátora:
Download

Jednosmerný a jednofázový elektromotor