Princip činnosti elektromotoru – užitečné informace od specialistů PTC Privod LLC

Bohužel používáte zastaralý prohlížeč. Aktualizujte svůj prohlížeč, abyste zlepšili výkon, kvalitu zobrazovaného materiálu a zlepšili zabezpečení.

Elektromotor (nebo zkráceně elektromotor) přeměňuje proudovou energii na mechanický pohyb. Princip činnosti zařízení je založen na magnetismu, který určuje přítomnost magnetů (permanentních, elektromagnetů, materiálů s magnetickými vlastnostmi) v konstrukci.

Typy elektromotorů

• Synchronní elektromotory jsou z hlediska konstrukce složitější. Mají rotorové vinutí a napájení je dodáváno přes kartáčový mechanismus. Své jméno získaly díky synchronizaci rotace s magnetickým polem, které ji spouští.
• Asynchronní se snadno montují, a proto jsou nejoblíbenější (žádné navíjení, kartáče atd.). Jejich rotory se pohybují pomaleji než magnetické pole, což určuje asynchronní rotaci elektromotoru a jeho název.

V každodenním životě a průmyslu existují elektromotory různých typů, typů, tříd a výkonů. Nejoblíbenější zařízení zůstávají designově jednoduchá, která řeší problém přeměny elektřiny na mechanické otáčení hřídele. Ale i v této skupině existuje mnoho nuancí, které musíte znát, abyste mohli zařízení správně ovládat. Tato praxe (kompetentní použití elektromotorů pro jakýkoli účel) začíná pochopením toho, jak funguje (provozní principy).

Princip činnosti synchronního elektromotoru na videu

Princip činnosti asynchronního elektromotoru na videu

Konstrukce elektromotoru

Ústředním procesem fungování stejnosměrného elektromotoru (zkráceně DMC) je vstřikování točivého momentu v důsledku napětí dodávaného do cívek rotoru. Proces je možný díky 4 konstrukčním prvkům:

• kolektor;
• kartáčový mechanismus (2 kartáče + 2 desky/lamely);
• rotor elektromotoru (kotva u synchronního motoru má 1 vinutí);
• stator, na kterém jsou instalovány magnety (u stejnosměrných motorů – konstantní).

Rotor

Rotor je pohyblivý prvek elektromotoru, poháněný magnetickým polem a vykonává rotační pohyby společně s hřídelí. Má minimálně 3 zuby, z nichž jeden trvale spadá do oblasti připojení.

Komutátor motoru

Rotor se automaticky přepne. Tuto funkci má na starosti kolektor – struktura dvou lamel připevněných k hřídeli rotoru a dvou kartáčů, které fungují jako kontakty sběrače proudu (dodávají lamelám stejnosměrný proud). Princip fungování je následující:

• rotor se otáčí a mění směr proudu;
• když se kotva otočí o 180 stupňů, lamely změní místo;
• při změně poloh desek se mění jak směr proudu, tak (podle toho) póly magnetu;
• póly stejného jména se podle fyzikálních zákonů odpuzují – cívka se otáčí, její póly jsou přitahovány k opačným pólům na druhé straně magnetu.

Stator elektromotoru

Stator je stacionární nebo stacionární jednotka elektromotoru. Jiný název je induktor. Obsahuje několik vinutí s vratnou polaritou (při průchodu střídavého proudu), což zajišťuje vytvoření magnetického pole. Stator má ve většině případů 2 páry hlavních pólů, ale může obsahovat i pomocné póly pro lepší spínání rotoru na komutátoru.

Princip činnosti elektromotoru

Princip činnosti elektromotoru je založen na procesech vzájemného přitahování a odpuzování stejných a opačných pólů magnetů na rotoru (v pohybu) a statoru (jeho magnet je nehybný). V nejjednodušší sestavě stejnosměrného elektromotoru působí sestava cívky jako rotor a samotný magnet působí jako induktor.

Magnetické pole poskytuje vysokou účinnost s jedním vylepšením, což vytváří složitost mechanismu. Pro zajištění neustálého pohybu kotvy je nutné dosáhnout automatické změny jejích pólů (aby při přitahování k opačnému pólu stacionárního magnetu okamžitě změnil svůj pól). Jedině tak lze eliminovat „zamrzání“ kotvy a zajistit její nepřetržitý pohyb pod vlivem magnetického pole a setrvačnosti.

Magnetické pole elektromotoru

Princip činnosti statorového elektromotoru (nazývaného také indukční motor) je také založen na vytváření magnetického pole ze statoru. Vzniká při průchodu proudů jeho vinutím. Toto pole (rotující magnetické) tvoří magnetické pole rotoru indukcí proudů ve vinutích jeho vodičů.

To (statorové pole) vytváří svůj vlastní magnetický tok a je pozorován proporcionální vztah:

• magnetické pole statoru je úměrné elektrickému napětí v síti;
• magnetický tok produkovaný točivým polem je úměrný proudu.

Charakteristiky pole statoru závisí na proudech procházejících vinutími a počtu fázových vinutí. Magnetické pole rotoru zase také vytváří tok, který se pohybuje pomaleji než tok statoru. Oba proudy (stator a kotva) se vzájemně přitahují, což nutí rotor vykonávat rotační pohyby.

Tak vzniká kroutící moment – ​​velmi klíčový proces, pro který je sestavena celá konstrukce elektromotoru. Vzhledem k roli statoru a rotoru při provozu střídavého elektromotoru lze snadno usoudit, že tyto 2 prvky mají největší význam při jeho montáži.

Stejnosměrný elektromotor (princip činnosti synchronního motoru)

Synchronní elektromotory znamenají zařízení na stejnosměrný proud. Princip fungování takového zařízení lze stručně popsat ve 4 bodech:

• stejnosměrný proud je dodáván do vinutí statoru (nazývané také induktor nebo budicí vinutí);
• procházející vinutím vytváří proud konstantní magnetické budicí pole (používá se permanentní magnet);
• do vinutí rotoru je také přiváděn stejnosměrný proud, který je ovlivněn statorovým polem, zajišťujícím vznik točivého momentu;
• pod vlivem rotační síly se rotor otočí o 90 stupňů.

Toto je jeden cyklus. Po otočení se vinutí kotvy opět dostává pod vliv magnetického pole statoru a rotor se opět otáčí.

Pro nepřetržitý provoz elektromotoru se musí póly permanentního magnetu rotoru vzájemně bez zastavení vyměnit. Ke změně dochází, když pól překročí „neutrál“ (nazývaný také magnetický neutrál). K zajištění tohoto (změna pólů) je prstenec kolektoru rozdělen na sektory dielektrickými lamelami, na které jsou střídavě připojeny okraje vinutí rotoru.

Pro připojení komutátoru k síti jsou nutné proudové sběrače, což jsou grafitové tyče s vysokou vodivostí a nízkým kluzným třením. Jako magnety lze použít fyzikálně existující materiály s vysokými magnetickými vlastnostmi. Ale často, kvůli jejich hmotnosti, ve vysoce výkonných stejnosměrných motorech jsou magnety nahrazeny několika kovovými kolíky / tyčemi. V tomto případě:

• každá tyč má své vlastní vinutí tvořené vodičem, který je připojen k napájecí sběrnici („+“ a „-“);
• zapínání pólů stejného jména se provádí postupně;
• počet párů pólů – 1 nebo 4;
• počet komutátorových kartáčů musí odpovídat tomuto počtu párů.

Vysokovýkonné synchronní elektromotory obsluhované stejnosměrným proudem mají řadu konstrukčních nuancí, z nichž některé se projevují v dynamice (během provozu zařízení). Mezi nimi je posunutí kartáčů komutátoru rotoru vzhledem k hřídeli pod určitým úhlem proti jeho otáčení při změně zatížení motoru. To je nezbytné pro kompenzaci jevu nazývaného reakce rotor/kotva a zabránění brzdění hřídele motoru, což snižuje účinnost zařízení k němu připojeného.

Způsoby připojení synchronního elektromotoru

Výhodou synchronních elektromotorů, kterou zajišťuje princip jejich činnosti, je progresivní (hladké) řízení rychlosti otáčení, což zajišťuje jejich vysokou účinnost při práci s trakcí – na vysokozdvižných vozíkech a elektrických strojích. V moderní praxi se používají 3 schémata zapojení pro stejnosměrné elektromotory: s paralelním, sériovým a kombinovaným buzením.

V prvním případě se spolu (paralelně) s vinutím rotoru spouští přídavné nastavitelné (obvykle) vinutí reostatu. Tato možnost je účinná, když normální provoz stroje vyžaduje plynulé nastavení rychlosti otáčení a maximální stabilitu počtu otáček za minutu. Příkladem jsou elektromotory pro jeřáby, průmyslové stroje a linky.

Při sériovém zapojení je pomocné vinutí rotoru zapojeno do série s procesním řetězcem buzení rotoru. To umožňuje v určitých okamžicích (například při rozjezdu vlaku) prudce zvýšit sílu elektromotoru.

Zařízení synchronního elektromotoru na videu

Princip činnosti UKD (univerzální komutátorové motory)

UKD (motory pro univerzální použití) se používají v zařízeních s nízkým výkonem a elektrickém nářadí (domácí, profesionální) – všude tam, kde je vyžadován vysoký točivý moment při dobrých otáčkách, plynulá regulace otáček a nízké startovací proudy. Konstrukce UCD je podobná jako u motoru, který je synchronní se sériovým obvodem elektromotoru.

Princip fungování UKD:

• při použití napětí se na statoru objeví magnetické pole;
• konstrukce magnetického drátu v UKD je poněkud odlišná – zde nejsou vyrobeny z masivního odlitku, ale prefabrikované, aby nedocházelo k převrácení magnetizace a zahřívání Foucaultovými proudy;
• pomocné vinutí rotoru (indukčnost) je připojeno k napájení sériově, což umožňuje nastavit stejný směr magnetických polí statoru a rotoru ve stejné fázi;
• magnetická pole induktoru a kotvy jsou téměř zcela synchronní – elektromotor nabírá otáčky při vysokém zatížení, což je důležité pro činnost mnoha nástrojů (příklepové vrtačky, šroubováky, vysavače, brusky atd.).

Po zapojení regulovatelného transformátoru do obvodu elektromotoru je přidána i možnost plynulé regulace rychlosti jeho otáčení. Ale změna vektoru magnetického pole, pokud se jedná o komutátorový střídavý motor, je za žádných okolností nemožná.

Univerzální komutátorový motor má mnoho výhod. Produkuje vysoký točivý moment/točivý moment, je schopen vyvinout vysokou rychlost otáčení a zároveň váží a zabírá málo místa. Existují i ​​nevýhody: grafitové kartáče mají nízkou odolnost proti opotřebení (rychle se opotřebovávají při vysokých otáčkách), což snižuje životnost celé sestavy.

Asynchronní elektromotory

Střídavý motor (také známý jako asynchronní motor) také používá magnetické pole k vytvoření točivého momentu. Jeho vynálezcem je ruský elektrofyzik Michail Osipovič Dolivo-Dobrovolskij. První příklad asynchronního elektromotoru se objevil v roce 1890 (u něj začala teorie a praxe používání 3fázového střídavého proudu).

Konstrukce a uspořádání střídavých elektromotorů:

• Na každém statoru jsou navinuta 3 vinutí;
• 1 ze 3 fází je připojena ke každému vinutí;
• Pro chlazení vinutí, která se velmi zahřívají a procházejí jimi střídavé proudy, je na koncovém hřídeli elektromotoru instalován chladič (ventilátor).

Tok proudů a napětí 3fázovou sítí má grafickou podobu sinusoidy (plynulá změna provozních parametrů). Výkon ve vinutí plynule roste, jak se pohybuje od konce sinusovky ke svému vrcholu, a opět klesá, „sestupuje“ shora na druhý konec, dosahuje minima na obou koncích a maxima nahoře.

• napětí přiváděné ze 3 fází do vinutí statoru tvoří magnetické pole (jeho frekvence otáčení se rovná frekvenci otáčení v síti – 50 Hz);
• rotor je umístěn uvnitř induktoru a také v něm vzniká jeho vlastní pole;
• Rotorové pole je odpuzováno od pole statoru a generuje točivý moment.

Vzhledem k tomu, že střídavé elektromotory používají zkratovaný systém, při interakci magnetického pole statoru a vinutí rotoru vzniká v tomto rotoru velmi velký proud. Tvoří své vlastní kotevní pole. Při kontaktu podle zákonů vzájemné přitažlivosti/odpuzování pólů s magnetickým tokem induktoru uvede pole rotoru hřídel motoru do pohybu ve směru podobném směru tohoto pole.

Návrh střídavého elektromotoru na videu

Proč asynchronní?

Rychlost magnetických polí rotoru a statoru je podobná, ale první je ve fázi o 8–100 stupňů za druhým, což zajišťuje asynchronní chod hlavních prvků (odtud název). Charakteristickým rysem takových elektromotorů je vytváření velmi velkých startovacích proudů. To je typické pro klasická zařízení nakrátko (ta, jejichž kontrolky při spuštění blikají). Aby se snížilo riziko přetížení během jejich provozu, používá se řada opatření:

• u strojů s vysokým výkonem se používá fázová kotva se třemi vinutími zapojenými do hvězdy;
• Vinutí rotoru není připojeno přímo k elektrické síti, ale přes kolektor (kartáče, desky) připojený ke spouštěcímu reostatu.

V důsledku toho, když takový elektromotor začne pracovat, je připojen k napájení a aktivní odpor v obvodu rotoru se postupně snižuje na nulu. Žádné blikání, žádné přetížení – střídavý motor se spouští hladce.

Výhody střídavých motorů

Elektromotory asynchronního typu umožnily provozovat 3-fázovou síť, která je ve skutečnosti tvořena třemi samostatnými obvody se sinusovými hnacími silami (EMF) v každém z nich. EMF ve fázích mají stejnou frekvenci, jsou vytvářeny jedním zdrojem (obvykle 3-fázovým generátorem), ale jsou vůči sobě posunuty o 120 stupňů.

3-fázová síť je vyvážený systém s konstantním okamžitým celkovým výkonem a střídavý motor, který ji pohání, má nesporné výhody. Mezi nimi:

• jednoduchá obsluha;
• nízká cena;
• spolehlivost;
• účinnost z hlediska řízení točivého momentu a rychlosti. Je zajištěna ovladatelností elektromotoru (jeho dynamiky) pomocí signálu (digitálního nebo analogového). Navíc lze 3-fázový motor „udělat“ tak, aby se otáčel v libovolném směru změnou směru střídavého proudu na vinutí rotoru.

Jednofázové elektromotory

Spolu s 3-fázovými motory jsou v praxi hojně využívány také 1-fázové asynchronní elektromotory. Jsou to elektrická zařízení napájená z domácí sítě o napětí 220 V (kmitočet – 50 Hz). Stejně jako 3-fázový analog funguje tak, že převádí přijatou elektřinu na mechanickou akci – rotaci.

Konstrukce a princip činnosti 1fázového motoru je jednodušší:

• Na statoru jsou vytvořena nejméně 2 vinutí – startovací a pracovní;
• osy vinutí musí být vůči sobě posunuty o 90 %;
• do návrhu je přidán další prvek – prvek s fázovým posunem (může to být cívka, kondenzátor nebo odpor);
• Napájení je dodáváno přes AC zdroj do vinutí.

1-fázové střídavé elektromotory jsou instalovány na domácích spotřebičích (od praček odstředivek po chladničky) a nízkoenergetických strojích pro výrobní podniky.

Porovnání jednofázových a třífázových elektromotorů

Ve srovnání s 3-fázovými 1-fázovými asynchronními motory jsou poněkud horší v řadě charakteristik:

• výkon prvního jmenovaného je při podobných rozměrech alespoň o 30 % nižší;
• jednofázová zařízení nejsou schopna nečinnosti déle než 5–10 minut;
• Přetížitelnost třífázových je mnohem vyšší.

UKD

Hlavní výhodou univerzálního komutátorového elektromotoru (který může být napájen stejnosměrným nebo střídavým proudem) je jeho účinnost. Maximální točivý moment a spotřeba proudu takových zařízení jsou omezeny kvůli indukční reaktanci při nízkých rychlostech.

Motory se zvýšeným prokluzem

Samostatnou skupinou elektromotorů by měla být třífázová zařízení se zvýšeným odporem vinutí rotoru, který zajišťuje kritický skluz. U mechanismů se zvýšeným posuvem je to 40 %. Sami se používají u strojů s velkou setrvačností, pracujících v režimu častých krátkodobých startů.

Katalog elektromotorů za cenu výrobce

Katalog PTC Privod LLC zahrnuje širokou škálu elektromotorů pro provoz v jednofázových a třífázových sítích. Každý model zařízení má podrobný popis (technické vlastnosti, dekódování názvu, rozměry, informace o výrobci atd.). V našem sortimentu je snadné si vybrat a můžete se ziskem koupit elektromotory pro řešení široké škály problémů.