Co je elektromotor: princip činnosti, struktura a typy elektromotorů

Elektrický motor, zkráceně elektromotor, je elektrický stroj, s jehož pomocí se elektrická energie přeměňuje na mechanickou energii k pohonu různých mechanismů. Elektromotor je hlavním prvkem elektrického pohonu.

V některých provozních režimech elektrického pohonu elektromotor provádí zpětnou přeměnu energie, to znamená, že pracuje v elektrický generátor.

Podle typu vytvářeného mechanického pohybu mohou být elektromotory rotační, lineární atd. Elektromotorem se nejčastěji rozumí rotační elektromotor, protože se mu dostalo největšího uplatnění.

Oblast vědy a techniky, která studuje elektrické stroje, je elektromechanika. Všeobecně se má za to, že jeho historie začíná v roce 1821, kdy byl vytvořen první elektromotor M. Faradaye.

Konstrukce elektromotoru

Hlavní součásti rotačního elektromotoru jsou stator a rotor. Stator – stacionární část, rotor – otočná část.

Standardní provedení rotačního motoru

U většiny elektromotorů je rotor umístěn uvnitř statoru. Elektromotory, ve kterých je rotor umístěn mimo stator, se nazývají elektromotory invertního typu.

Princip činnosti elektromotoru

1. Podle Ampérova zákona bude vodič s proudem I v magnetickém poli ovlivněn o vynutit F.

2. Pokud je vodič s proudem I ohnut do rámu a umístěn do magnetického pole, pak na dvě strany rámu, umístěné v pravém úhlu k magnetickému poli, budou působit opačně směřující síly F

3. Síly působící na rám vytvářejí krouticí moment nebo moment síly, který jej otáčí.

4. Vyrobené elektromotory mají vícenásobné otáčky na kotvě pro zajištění většího konstantního točivého momentu.

5. Magnetické pole mohou vytvářet jak magnety, tak elektromagnety. Elektromagnet se obvykle skládá z drátu navinutého kolem jádra. Podle zákona elektromagnetické indukce tedy proud tekoucí do rámů indukuje proud do vinutí elektromagnetu, který zase vytvoří magnetické pole.

Princip činnosti jednofázového asynchronního elektromotoru
Princip činnosti třífázového asynchronního elektromotoru
Princip činnosti synchronního elektromotoru

Klasifikace elektromotorů

Univerzální
Odpor

DCDC s budicím vinutím
Nezávislý
Sekvenční buzení
Paralelní
Kombinované

BDPT
(Brushless motor + EP | + DPR)
WFD
(Proudový motor s rotorem s vyčnívajícími póly a soustředěným statorovým vinutím + ED |+ DPR)

Třífázový
(vícefázové)
- ADKR
- ADFR
- se startovacím vinutím
- se stíněnými sloupy
- s asymetrickým magnetickým jádrem
- SDOV
  (se sběracími kroužky a kartáči) —>
- SDPM 5 —>
  - SDPMW
  - SDPMP
  - Hybridní
  1. Tato kategorie nepředstavuje samostatnou třídu elektromotorů, protože zařízení zařazená do uvažované kategorie (BDDC, VRM) jsou kombinací bezkomutátorového motoru, elektrického měniče (invertoru) a v některých případech i snímače polohy rotoru. . U těchto zařízení je elektrický měnič pro svou malou složitost a malé rozměry obvykle integrován do elektromotoru.
  2. Ventilový motor lze definovat jako elektromotor, který má snímač polohy rotoru, který řídí polovodičový měnič, který provádí koordinovanou komutaci vinutí kotvy [5].
  3. Stejnosměrný ventilový motor je stejnosměrný elektromotor, jehož spínacím zařízením ventilu je invertor řízený buď polohou rotoru, nebo fází napětí na vinutí kotvy, nebo polohou magnetického pole [1].
  4. Elektromotory používané v BLDC a VRD jsou střídavé motory a díky přítomnosti elektrického měniče v těchto zařízeních jsou připojeny ke stejnosměrné síti.
  5. Krokový motor není samostatnou třídou motorů. Konstrukčně se jedná o PMSM, SRD nebo hybridní SRD-PM.
  - CMDC – komutátorový stejnosměrný motor
  - BLDC – bezkomutátorový DC motor
  - EP – elektrický měnič
  - DPR – snímač polohy rotoru
  - VRD – spínaný reluktanční motor
  - ADKR – asynchronní motor s rotorem nakrátko
  - ADFR – asynchronní motor s vinutým rotorem
  - SDOV – synchronní motor s budícím vinutím
  - PMSM – synchronní motor s permanentními magnety
  - SPMSM – synchronní motor s povrchovými permanentními magnety
  - PMSD – synchronní motor s vestavěnými permanentními magnety
  - SRD – synchronní reluktanční motor
  - PM – permanentní magnety
  - CP – frekvenční měnič
  Typy elektromotorů
  
  Komutátorové motory
  
  Komutátorový stroj je točivý elektrický stroj, ve kterém je alespoň jedno z vinutí zapojených do procesu hlavní přeměny energie připojeno ke kolektoru [1]. V komutátorovém motoru slouží sestava kartáč-komutátor jako snímač polohy rotoru a proudový spínač ve vinutí.
  
  Univerzální elektromotor
  
  Může pracovat na střídavý a stejnosměrný proud. Široce se používá v ručním elektrickém nářadí a některých domácích spotřebičích (vysavače, pračky atd.). V USA a Evropě se používal jako trakční elektromotor. Rozšířil se díky svým malým rozměrům, relativně nízké ceně a snadnému ovládání.
  
  Stejnosměrný kartáčovaný motor
  
  Elektrický stroj, který přeměňuje stejnosměrnou elektrickou energii na mechanickou energii. Výhody stejnosměrného elektromotoru jsou: vysoký rozběhový moment, otáčky, možnost plynule řídit rychlost otáčení, jednoduchost konstrukce a ovládání. Nevýhodou motoru je nutnost údržby jednotek komutátor-kartáč a omezená životnost vlivem opotřebení komutátoru.
  
  Bezkomutátorové motory
  
  Bezkomutátorové motory mohou mít sběrací kroužky s kartáči, takže není třeba zaměňovat bezkomutátorové a bezkomutátorové motory.
  
  Bezkomutátorový stroj je točivý elektrický stroj, ve kterém jsou všechna elektrická spojení vinutí zapojených do hlavního procesu přeměny energie prováděna bez posuvných elektrických kontaktů [1].
  
  Asynchronní motor
  
  Nejběžnější elektromotor v průmyslu. Výhody elektromotoru jsou: jednoduchost konstrukce, spolehlivost, nízká cena, dlouhá životnost, vysoký rozběhový moment a přetížitelnost. Nevýhodou asynchronního elektromotoru je obtížná regulace rychlosti otáčení.
  
  Synchronní elektromotor
  
  Synchronní motory se obvykle používají v aplikacích, kde je vyžadováno přesné řízení rychlosti otáčení nebo kde je vyžadována maximální hodnota parametrů, jako je výkon/výtlak, účinnost atd.
  - S polním vinutím
  - S permanentními magnety
  - Reaktivní
  - Hystereze
  - Reaktivní hystereze
  - Stepper
  Speciální elektromotory
  
  Servomotor
  
  Servomotory nejsou samostatnou třídou motorů. Jako servomotor lze použít stejnosměrné a střídavé elektromotory se snímačem polohy rotoru. Servomotor se používá jako součást servo mechanismu pro přesné ovládání úhlové polohy, rychlosti a zrychlení pohonu. K provozu vyžaduje servomotor poměrně složitý řídicí systém, který je obvykle navržen přímo pro servopohon.
  
  Základní parametry elektromotoru
  - Točivý moment motoru
  - Výkon elektromotoru
  - Koeficient výkonu
  - Jmenovitá rychlost
  - Moment setrvačnosti rotoru
  - Jmenovité napětí
  - Elektrická časová konstanta
  - Mechanické vlastnosti
  Točivý moment motoru
  
  Točivý moment (synonyma: kroutící moment, kroutící moment, moment síly) je vektorová fyzikální veličina rovna součinu poloměru vektoru taženého od osy otáčení k místu působení síly a vektoru této síly.
  - kde M je točivý moment, Nm,
  - F – síla, N,
  - r – vektor poloměru, m
  FAQ: Jmenovitý točivý moment M_nom, Nm, určeno vzorcem
  - kde P_nom – jmenovitý výkon motoru, W,
  - n_nom — jmenovité otáčky, min -1 [4]
  Počáteční rozběhový moment je moment elektromotoru při rozběhu.
  
  FAQ: V anglickém systému měr je síla měřena v uncové síle (oz, ozf, unce-force) nebo librové síle (lb, lbf, pound-force)
  
  1 unce = 1/16 lb = 0,2780139 N (N)
  1 lb = 4,448222 N (N)
  
  točivý moment se měří v uncích na palec (oz∙in) nebo v librách na palec (lb∙in)
  
  1 oz∙in = 0,007062 Nm (Nm)
  1 lb∙in = 0,112985 Nm (Nm)
  
  Výkon elektromotoru
  
  Výkon motoru je užitečný mechanický výkon na hřídeli motoru.
  
  Mechanická síla
  
  Výkon je fyzikální veličina, která ukazuje, kolik práce vykoná mechanismus za jednotku času.
  - kde P je výkon, W,
  - A – práce, J,
  - t-čas, s
  Práce je skalární fyzikální veličina rovna součinu průmětu síly do směru F a dráhy s, kterou urazí místo působení síly [2].
  - kde s – vzdálenost, m
  Pro rotační pohyb
  - kde je úhel, rad,
  - kde je úhlová rychlost, rad/s,
  Tímto způsobem můžete vypočítat hodnotu mechanického výkonu na hřídeli rotačního elektromotoru
  
  FAQ: Jmenovitá hodnota je výrobcem stanovená hodnota parametru elektrického výrobku (přístroje), se kterou má pracovat, což je výchozí hodnota pro výpočet odchylek.
  
  Účinnost elektromotoru
  
  Účinnost elektromotoru je charakteristická pro účinnost stroje při přeměně elektrické energie na mechanickou energii.
  - kde je účinnost elektromotoru,
  - P₁ — dodávaný výkon (elektrický), W,
  - P₂ — užitečný výkon (mechanický), W
- elektrické ztráty – ve formě tepla v důsledku ohřevu vodičů s proudem;
- magnetické ztráty – ztráty v důsledku převrácení magnetizace jádra: ztráty v důsledku vířivých proudů, hystereze a magnetických následků;
- mechanické ztráty – ztráty třením v ložiskách, ventilaci, kartáčích (pokud existují);
- dodatečné ztráty – ztráty způsobené vyššími harmonickými magnetických polí vznikající v důsledku převodové struktury statoru, rotoru a přítomnosti vyšších harmonických magnetomotorické síly vinutí.
Účinnost elektromotoru se může lišit od 10 do 99 % v závislosti na typu a konstrukci.

Mezinárodní elektrotechnická komise definuje požadavky na účinnost elektromotorů. Podle normy IEC 60034-31:2010 jsou pro synchronní a asynchronní motory definovány čtyři třídy účinnosti: IE1, IE2, IE3 a IE4.

Frekvence otáčení
- kde n je rychlost otáčení elektromotoru, ot./min
Moment setrvačnosti rotoru

Moment setrvačnosti je skalární fyzikální veličina, která je mírou setrvačnosti tělesa v rotačním pohybu kolem osy, která se rovná součtu součinů hmotností hmotných bodů druhých mocnin jejich vzdáleností od osy.
- kde J je moment setrvačnosti, kg∙m 2,
- m – hmotnost, kg
FAQ: V anglickém systému měření se moment setrvačnosti měří v palcích unce-síla (oz∙in∙s 2)

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (kg∙m 2)

Moment setrvačnosti souvisí s momentem síly následujícím vztahem
- kde je úhlové zrychlení, s -2 [2]
FAQ: Stanovení momentu setrvačnosti rotující části elektromotoru je popsáno v GOST 11828-86

Jmenovité napětí

Jmenovité napětí je napětí, pro které je síť nebo zařízení navrženo a ke kterému se vztahují jejich provozní vlastnosti [3].

Elektrická časová konstanta

Elektrická časová konstanta je čas, počítaný od okamžiku přivedení stejnosměrného napětí na elektromotor, během kterého proud dosáhne úrovně 63,21 % (1-1/e) své konečné hodnoty.
- kde je časová konstanta, s
Mechanické vlastnosti

Mechanická charakteristika motoru je graficky vyjádřená závislost otáček hřídele na elektromagnetickém momentu při konstantním napájecím napětí.

Porovnání charakteristik externě komutovaných elektromotorů

Níže jsou uvedeny srovnávací charakteristiky externě komutovaných elektromotorů z pohledu aplikace jako trakční motory ve vozidlech.

Porovnání mechanických charakteristik elektromotorů různých typů s omezeným statorovým proudem

Závislost výkonu na rychlosti otáčení hřídele pro různé typy motorů s omezeným statorovým proudem

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