Elektrický motor

Elektromotor  je elektrický stroj ( elektromechanický měnič ), ve kterém se elektrická energie přeměňuje na mechanickou energii .

Jak to funguje

Naprostá většina elektrických strojů je založena na principu elektromagnetické indukce . Elektrický stroj se skládá z pevné části - statoru (u střídavých asynchronních a synchronních strojů), pohyblivé části - rotoru (u střídavých asynchronních a synchronních strojů) nebo kotvy (u stejnosměrných strojů). V roli induktoru u stejnosměrných motorů s nízkým výkonem se velmi často používají permanentní magnety .

Rotor indukčního motoru může být:

Kotva je pohyblivá část stejnosměrných strojů (motor nebo generátor) nebo tzv. univerzální motor (který se používá v elektrickém nářadí), který pracuje na stejném principu.

Ve skutečnosti je univerzální motor stejný stejnosměrný motor (stejnosměrný motor) se sériovým buzením (vinutí kotvy a induktoru jsou zapojeny do série). Rozdíl je pouze ve výpočtech vinutí. Při stejnosměrném proudu neexistuje žádný jalový (indukční nebo kapacitní) odpor. Proto bude jakákoliv " bruska ", pokud z ní vyjmete elektronickou jednotku, plně funkční na stejnosměrný proud, ale při nižším síťovém napětí.

Princip činnosti třífázového asynchronního elektromotoru

Při připojení k síti vzniká ve statoru kruhové točivé magnetické pole, které proniká do zkratovaného vinutí rotoru a indukuje v něm indukční proud. Odtud se podle Ampérova zákona (vychylovací síla působí na vodič s proudem umístěný v magnetickém poli) začne rotor otáčet. Otáčky rotoru závisí na frekvenci napájecího napětí a na počtu párů magnetických pólů.

Rozdíl mezi frekvencí otáčení magnetického pole statoru a frekvencí otáčení rotoru je charakterizován skluzem . Motor se nazývá asynchronní, protože frekvence otáčení magnetického pole statoru se neshoduje s frekvencí otáčení rotoru.

Synchronní motor má rozdíl v konstrukci rotoru. Rotor je tvořen buď permanentním magnetem nebo elektromagnetem, nebo má část klece nakrátko (pro startování) a permanentní magnety nebo elektromagnety. U synchronního motoru je rychlost otáčení magnetického pole statoru a rychlost otáčení rotoru stejná. Ke spouštění slouží pomocné asynchronní elektromotory, případně rotor s vinutím nakrátko. Synchronní motory jsou složitější a dražší než asynchronní motory, a proto se používají mnohem méně často.

Asynchronní motory jsou široce používány ve všech odvětvích techniky. To platí zejména pro designově jednoduché a odolné třífázové asynchronní motory s rotory nakrátko, které jsou spolehlivější a levnější než všechny elektromotory a prakticky nevyžadují žádnou údržbu. Tam, kde není třífázová síť, lze asynchronní motor připojit k jednofázové síti.

Stator asynchronního elektromotoru se skládá stejně jako u synchronního stroje z obalu sestaveného z lakovaných plechů elektrooceli o tloušťce 0,5 mm, v jejichž drážkách je uloženo vinutí. Tři fáze statorového vinutí asynchronního třífázového motoru, prostorově posunuté o 120°, jsou navzájem spojeny hvězdou nebo trojúhelníkem.

Obrázek ukazuje schematický diagram dvoupólového stroje - čtyři sloty pro každou fázi. Když jsou statorová vinutí napájena z třífázové sítě, získá se točivé pole, protože proudy ve fázích vinutí, které jsou vůči sobě prostorově posunuty o 120 °, jsou vzájemně fázově posunuty o 120 °.

Pro synchronní rychlost nc platí pole elektromotoru s p páry pólů při aktuální frekvenci :

Při frekvenci 50 Hz získáme pro = 1, 2, 3 (dvou-, čtyř- a šestipólové stroje) frekvence rotace synchronního pole = 3000, 1500 a 1000 ot./min.

Rotor indukčního motoru se také skládá z plechů z elektrooceli a může být vyroben ve formě rotoru nakrátko (s " klecí nakrátko ") nebo rotoru se sběracími kroužky (fázový rotor).

V rotoru nakrátko se vinutí skládá z kovových tyčí (měděných, bronzových nebo hliníkových), které jsou umístěny v drážkách a na koncích spojeny zkratovacími kroužky. Spojení se provádí tvrdým pájením nebo svařováním. V případě hliníku nebo hliníkových slitin jsou tyče rotoru a zkratovací kroužky včetně na nich umístěných lopatek ventilátoru vyrobeny vstřikováním.

Rotor elektromotoru se sběracími kroužky má v drážkách třífázové vinutí, podobné vinutí statoru, spojené např. hvězdou; začátek fází je spojen se třemi kontaktními kroužky upevněnými na hřídeli. Při spouštění motoru a pro nastavení otáček lze k fázím vinutí rotoru připojit reostaty (přes sběrací kroužky a kartáče). Po úspěšném rozběhu jsou sběrací kroužky zkratovány, takže vinutí rotoru motoru plní stejné funkce jako u rotoru nakrátko.

Asynchronní elektromotory jsou široce používány v těžkém průmyslu jako pomocné stroje pro kompresory nebo usměrňovače.

Asynchronní elektromotory mají oproti kolektorovým řadu výhod, např.: menší opotřebení kotvy díky absenci kolektoru, variabilita ovládání, vyšší účinnost a jednoduchá konstrukce .

V roce 2018 skupina bulharských vynálezců pod vedením Alexandra Khristova vyvinula účinnější verzi indukčního motoru, u které je vnější část rotoru s elektrickým vinutím oddělena od feromagnetického jádra [1] . Vnitřní feromagnetická část rotoru je uložena ložisky na hřídeli motoru a může se otáčet odděleně od vnější části rotoru. Vnější část rotoru se tedy spolu s hřídelí otáčí asynchronně jako u tradičních asynchronních motorů a vnitřní část rotoru se otáčí synchronně s magnetickým polem vytvářeným statorem, tedy jako rotor synchronního motoru. . Ztráty se tedy snižují eliminací tvorby vířivých proudů ve feromagnetickém jádru rotoru a jeho kontinuální remagnetizací.

Klasifikace elektromotorů

Podle principu vzniku točivého momentu lze elektromotory rozdělit na hysterezní a magnetoelektrické . U motorů první skupiny vzniká moment hysterezí při přemagnetování rotoru. Tyto motory nejsou tradiční a nejsou v průmyslu široce používány.

Nejrozšířenější jsou magnetoelektrické motory, které se podle druhu spotřebovávané energie dělí na dvě velké skupiny – stejnosměrné motory a střídavé motory (existují i ​​univerzální motory , které lze napájet oběma druhy proudu).

DC motory

Stejnosměrný motor  je motor, ve kterém se přepínání fází provádí přímo v motoru samotném. Díky tomu lze takový motor napájet stejnosměrným, ale i střídavým proudem. První komutovaný stejnosměrný motor schopný rotace mechanismů vynalezl britský vědec William Sturgeon v roce 1832 [2] . Po Sturgeonově práci sestrojil americký vynálezce Thomas Davenport a jeho manželka Emily Davenportová stejnosměrný motor komutátorového typu, který si nechal patentovat v roce 1837 [3] .

Tato skupina motorů se zase dělí podle způsobu spínání fází a přítomnost zpětné vazby se dělí na:

  1. Kolektorové motory ;
  2. Ventilové motory (bezkomutátorový elektromotor).

Sestava kartáč-kolektor zajišťuje elektrické synchronní spínání obvodů rotační části stroje a je nejspolehlivějším a nejobtížnějším konstrukčním prvkem. [čtyři]

Podle typu buzení lze kolektorové motory rozdělit na:

  1. Motory s buzením nezávislým od elektromagnetů a permanentních magnetů ;
  2. Motory se samobuzením.

Motory s vlastním buzením se dělí na:

  1. Motory s paralelním buzením (vinutí kotvy je zapojeno paralelně s budicím vinutím);
  2. Sekvenční budicí motory (vinutí kotvy je zapojeno do série s budicím vinutím);
  3. Motory se smíšeným buzením (část budícího vinutí je zapojena sériově s kotvou a druhá část je zapojena paralelně s vinutím kotvy nebo sériově zapojeným vinutím kotvy a prvním budicím vinutím, v závislosti na požadované zatěžovací charakteristice).

Střídavé motory ( bezmasé motory ) - elektromotory, u kterých se spínání fází provádí pomocí speciální elektronické jednotky ( střídač ), mohou být se zpětnou vazbou pomocí snímače polohy rotoru , nebo bez zpětné vazby, ve skutečnosti analog asynchronní.

Pulzující proudové motory

Pulzující proudový motor - elektromotor poháněný pulzujícím elektrickým proudem . Konstrukce je velmi podobná stejnosměrnému motoru. Jeho konstrukční rozdíly oproti stejnosměrnému motoru jsou vložení do rámu, laminované přídavné póly, větší počet pólových párů a přítomnost kompenzačního vinutí. Používá se na elektrických lokomotivách s instalacemi pro usměrnění střídavého proudu [5]

AC motory

Střídavý motor  - elektromotor poháněný střídavým proudem . Podle principu činnosti se tyto motory dělí na synchronní a asynchronní motory . Zásadní rozdíl je v tom, že u synchronních strojů se první harmonická magnetomotorické síly statoru pohybuje rychlostí rotoru (díky čemuž se rotor sám otáčí rychlostí rotace magnetického pole ve statoru), zatímco u asynchronních strojů je je vždy rozdíl mezi rychlostí otáčení rotoru a rychlostí otáčení magnetických polí ve statoru (pole se točí rychleji než rotor).

Synchronní elektromotor  - střídavý elektromotor, jehož rotor se otáčí synchronně s magnetickým polem napájecího napětí.

Synchronní motory se dělí na [6] :

Existují synchronní motory s diskrétním úhlovým pohybem rotor - krokové motory . Mají danou polohu rotoru zafixovanou napájením odpovídajících vinutí. Přechod do jiné polohy se provádí odstraněním napájecího napětí z některých vinutí a jeho převedením do jiných. Dalším typem synchronních motorů je ventilový reluktanční motor , jehož napájení vinutí je tvořeno polovodičovými prvky.

Asynchronní elektromotor  je střídavý elektromotor, u kterého se otáčky rotoru liší od frekvence točivého magnetického pole vytvářeného napájecím napětím. Tyto motory jsou v současnosti nejrozšířenější.

Podle počtu fází se střídavé motory dělí na:

Univerzální kolektorový elektromotor

Univerzální kolektorový motor - kolektorový elektromotor, který může pracovat na stejnosměrný i střídavý proud. Vyrábí se pouze se sériovým budicím vinutím o výkonu do 200W. Stator je laminovaný (z jednotlivých desek) ze speciální elektrooceli. Budicí vinutí se zapíná částečně střídavým a zcela stejnosměrným proudem. Pro střídavý proud je jmenovité napětí 127, 220 V, pro stejnosměrný proud 110, 220 V. Používá se v domácích spotřebičích, elektrickém nářadí.

Střídavé motory napájené průmyslovou sítí 50 Hz neumožňují vyšší otáčky než 3000 ot./min. Pro získání vysokých frekvencí se proto používá kolektorový elektromotor, který je navíc lehčí a menší než střídavý motor stejného výkonu, nebo se používají speciální převodové mechanismy, které mění kinematické parametry mechanismu na to, co potřebujeme ( multiplikátory).

Při použití frekvenčních měničů nebo s vysokofrekvenční sítí (100, 200, 400 Hz) jsou střídavé motory lehčí a menší než kolektorové motory (sestava kolektoru někdy zabírá polovinu prostoru). Zdroj asynchronních střídavých motorů je mnohem vyšší než u kolektorových motorů a je určen stavem ložisek a izolace vinutí.

Synchronní motor se snímačem polohy rotoru a invertorem je elektronickým analogem stejnosměrného kolektorového motoru.

Přesněji řečeno, univerzální komutátorový motor je stejnosměrný komutátorový motor s budicími (statorovými) vinutími zapojenými do série, optimalizovaný pro provoz na střídavý proud domácí elektrické sítě. Tento typ motoru se bez ohledu na polaritu přiváděného napětí otáčí jedním směrem, protože v důsledku sériového zapojení vinutí statoru a rotoru dochází ke změně pólů jejich magnetických polí současně a výsledný moment zůstává směrován v jeden směr. Aby bylo možné pracovat na střídavý proud, používá se stator z magneticky měkkého materiálu s malou hysterezí (odolností proti remagnetizaci). Pro snížení ztrát vířivými proudy je stator vyroben z izolovaných desek. Charakteristickým rysem (ve většině případů výhodou) provozu takového motoru na střídavý proud (a nikoli na stejnosměrný proud o stejném napětí) je, že v režimu nízkých otáček (rozběh a přetížení) je indukční odpor statorových vinutí omezuje odebíraný proud a podle toho i maximální točivý moment motoru (odhadovaný) až na 3-5 od jmenovitého (oproti 5-10, když je stejný motor napájen stejnosměrným proudem). Pro přiblížení mechanických charakteristik motorů pro všeobecné použití lze použít dělení statorových vinutí - samostatné závěry (a menší počet závitů statorového vinutí) pro připojení střídavého proudu.

Synchronní pístový motor

Princip jeho činnosti spočívá v tom, že pohyblivou částí motoru je permanentní magnet upevněný na tyči. Pevnými vinutími prochází střídavý proud a permanentní magnety pod vlivem magnetického pole vytvářeného vinutími pohybují tyčí vratně. [9]

Historie

Princip přeměny elektrické energie na mechanickou energii elektromagnetickým polem předvedl britský vědec Michael Faraday v roce 1821 a sestával z volně visícího drátu ponořeného do rtuti. Uprostřed rtuťové lázně byl instalován permanentní magnet. Když drátem procházel proud, drát se otáčel kolem magnetu, což ukazuje, že proud způsobil cyklické magnetické pole kolem drátu [10] . Toto zařízení se často předvádí ve školních hodinách fyziky, kde se místo toxické rtuti používá elektrolyt. Jedná se o nejjednodušší formu třídy elektromotorů. Následným vylepšením je Barlow Wheel . Jednalo se o demonstrační zařízení, nevhodné pro praktické aplikace z důvodu omezeného výkonu.

Vynálezci se snažili vytvořit elektrický motor pro průmyslové potřeby. Snažili se, aby se železné jádro pohybovalo v poli elektromagnetu vratně, tedy tak, jak se pohybuje píst ve válci parního stroje. Rusko-pruský vědec B.S. Jacobi šel jinou cestou. V roce 1834 vytvořil první praktický elektromotor na světě s otočnou kotvou a publikoval teoretickou práci „O použití elektromagnetismu k pohonu stroje“. B. S. Jacobi napsal, že jeho motor je jednoduchý a „dává přímý kruhový pohyb, který je mnohem snazší převést na jiné druhy pohybu než vratný“.

Rotační pohyb kotvy v motoru Jacobi byl způsoben střídavým přitahováním a odpuzováním elektromagnetů. Pevná skupina elektromagnetů ve tvaru U byla napájena proudem přímo z galvanické baterie a směr proudu v těchto elektromagnetech zůstal nezměněn. Pohyblivá skupina elektromagnetů byla připojena k baterii přes komutátor, pomocí kterého se směr proudu v každém elektromagnetu měnil osmkrát za otáčku disku. V tomto případě se polarita elektromagnetů odpovídajícím způsobem změnila a každý z pohyblivých elektromagnetů byl střídavě přitahován a odpuzován odpovídajícím stacionárním elektromagnetem: hřídel motoru se začala otáčet. Výkon takového motoru byl pouze 15 wattů. Následně Jacobi přivedl výkon elektromotoru na 550 wattů. Tento motor byl instalován nejprve na lodi a později na železniční plošině.

V roce 1839 Jacobi postavil člun s elektromagnetickým motorem, který vyvinul 1 koňskou sílu z 69 prvků Grove a pohyboval lodí se 14 cestujícími po Něvě proti proudu. Jednalo se o první aplikaci elektromagnetismu na pohyb ve velkém měřítku.

Poznámky

  1. ↑ Elektrický stroj s pomocným pohyblivým samořízeným statorem  .
  2. ↑ Rob Mead naposledy aktualizován. 15 nejlepších britských technologických vynálezů všech dob  . TechRadar (26. února 2009). Staženo: 3. prosince 2021.
  3. ↑ Vare, Ethlie Ann. Zjevně žena: Od AZT k televizním večeřím, Příběhy vynálezkyň a jejich průlomové nápady / Ethlie Ann Vare, Greg Ptacek. — Hoboken, NJ : John Wiley & Sons, Inc, listopad 2001. — S. 28. — ISBN 978-0-471-02334-0 .
  4. ↑ Belov a kol., 2007 , s. 27.
  5. ↑ Sidorov N. I., Sidorova N. N. Jak funguje a funguje elektrická lokomotiva - M .: Doprava, 1988. - ISBN 5-277-00191-3 . – Náklad 70 000 výtisků. - S. 47.
  6. ↑ Elektromotory - typy, parametry, princip činnosti . engineering-solutions.ru Staženo: 7. září 2016.
  7. ↑ Třífázové asynchronní elektromotory. Příběh. Závod SYSTEMAKS . SYSTEMMAX . Staženo: 3. prosince 2021.
  8. ↑ Belov a kol., 2007 , s. 28.
  9. ↑ Hiterer M. Ya., Ovchinnikov I. E. Synchronní elektrické stroje vratného pohybu, St. Petersburg, Crown, 2008, ISBN 978-5-7931-0493-7
  10. ↑ Voinarovsky P.D .,. Elektromotory // Encyklopedický slovník Brockhause a Efrona  : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.

Literatura

Odkazy

 Motory
Elektromotory
Asynchronní
Synchronní
jiný
viz také stroj na věčný pohyb Převodový motor gumový motor