Princip činnosti a konstrukce elektromotoru

Jakýkoli elektromotor je navržen tak, aby vykonával mechanickou práci kvůli spotřebě elektrické energie, která se na něj aplikuje, která se zpravidla přeměňuje na rotační pohyb. Ačkoli v technologii existují modely, které okamžitě vytvářejí translační pohyb pracovního těla. Říká se jim lineární motory.

V průmyslových instalacích pohánějí elektromotory různé stroje a mechanická zařízení zapojené do technologického výrobního procesu.

Uvnitř domácích spotřebičů fungují elektromotory v pračkách, vysavačích, počítačích, fénech, dětských hračkách, hodinkách a mnoha dalších zařízeních.

Za konstruktéra prvního elektromotoru je považován fyzik Peter Barlow, který v roce 1822 představil svůj vynález, později nazvaný Barlow Wheel. Toto řešení nebylo vhodné pro praktické použití, ale ukázalo, jak elektřina dokáže ovládat jednoduchý mechanismus.

Základní fyzikální procesy a princip činnosti

Na elektrické náboje pohybující se uvnitř magnetického pole, které se nazývají elektrický proud, působí vždy mechanická síla, která má tendenci vychylovat jejich směr v rovině umístěné kolmo na orientaci magnetických siločar. Když elektrický proud prochází kovovým vodičem nebo cívkou z něj vyrobenou, má tato síla tendenci pohybovat/otáčet každým vodičem s proudem a celým vinutím jako celkem.

Na obrázku níže je vidět kovový rám, kterým protéká proud. Magnetické pole aplikované na něj vytváří sílu F pro každou větev rámu, čímž vzniká rotační pohyb.

Tato vlastnost interakce elektrické a magnetické energie založená na vytváření elektromotorické síly v uzavřeném vodivém obvodu se podílí na chodu každého elektromotoru. Jeho design zahrnuje:

• vinutí, kterým protéká elektrický proud. Je umístěn na speciálním kotevním jádru a zajištěn v rotačních ložiskách, aby se snížilo působení třecích sil. Tato struktura se nazývá rotor;
• stator, který vytváří magnetické pole, které svými siločárami proniká elektrickými náboji procházejícími závity vinutí rotoru;
• pouzdro pro uložení statoru. Uvnitř skříně jsou vyrobeny speciální montážní objímky, uvnitř kterých jsou namontovány vnější kroužky ložisek rotoru.

Zjednodušenou konstrukci nejjednoduššího elektromotoru lze znázornit na následujícím obrázku.

Při otáčení rotoru vzniká točivý moment, jehož výkon závisí na obecné konstrukci zařízení, množství aplikované elektrické energie a jejích ztrátách při transformacích.

Maximální možný točivý moment motoru je vždy menší než elektrická energie, která je na něj aplikována. Je charakterizována velikostí faktoru účinnosti.

Podle typu proudu procházejícího vinutím se dělí na stejnosměrné nebo střídavé motory. Každá z těchto dvou skupin má velké množství úprav pomocí různých technologických postupů.

Jejich statorové magnetické pole je vytvářeno trvale namontovanými permanentními magnety nebo speciálními elektromagnety s budícím vinutím. Vinutí kotvy je pevně uloženo v hřídeli, která je uložena v ložiskách a může se volně otáčet kolem vlastní osy.

Základní struktura takového motoru je znázorněna na obrázku.

Na jádru kotvy z feromagnetických materiálů je vinutí sestávající ze dvou sériově zapojených částí, které jsou jedním koncem spojeny s vodivými kolektorovými deskami a druhými jsou spojeny navzájem. Dva grafitové kartáče jsou umístěny na diametrálně protilehlých koncích kotvy a jsou přitlačeny ke kontaktním podložkám desek komutátoru.

Spodní kartáč vzoru je napájen kladným potenciálem zdroje konstantního proudu a horní kartáček je napájen záporným potenciálem. Směr proudu procházejícího vinutím je znázorněn tečkovanou červenou šipkou.

Proud způsobuje magnetické pole severního pólu v levé dolní části armatury a jižního pólu v pravém horním (gimletovo pravidlo). To vede k odpuzování pólů rotoru od podobných stacionárních pólů a přitahování k odlišným pólům na statoru. V důsledku působící síly dochází k rotačnímu pohybu, jehož směr je vyznačen hnědou šipkou.

Při dalším otáčení kotvy se setrvačností póly přesouvají k dalším kolektorovým deskám. Směr proudu v nich se mění na opačný. Rotor se dále otáčí.

Jednoduchá konstrukce takového kolektorového zařízení vede k velkým ztrátám elektrické energie. Takové motory pracují v zařízeních jednoduché konstrukce nebo v hračkách pro děti.

Stejnosměrné elektromotory zapojené do výrobního procesu mají složitější konstrukci:

• vinutí není rozděleno na dvě, ale na více částí;
• každá sekce vinutí je namontována na vlastním pólu;
• Sběrné zařízení je vyrobeno z určitého počtu kontaktních podložek podle počtu sekcí vinutí.

Výsledkem je hladké připojení každého pólu přes jeho kontaktní desky ke kartáčům a zdroji proudu a snižují se ztráty elektřiny.

Zařízení takové kotvy je znázorněno na obrázku.

U stejnosměrných elektromotorů lze směr otáčení rotoru obrátit. K tomu stačí obrátit pohyb proudu ve vinutí změnou polarity u zdroje.

Od předchozích konstrukcí se liší tím, že elektrický proud protékající jejich vinutím je popsán sinusovým harmonickým zákonem, periodicky měnícím svůj směr (znaménko). K jejich napájení je přiváděno napětí z generátorů se střídavým znamením.

Stator takových motorů je vyroben z magnetického obvodu. Je vyroben z feromagnetických desek s drážkami, do kterých jsou umístěny závity vinutí s rámovou (cívkovou) konfigurací.

Níže uvedený obrázek ukazuje princip činnosti jednofázového střídavého motoru se synchronním otáčením elektromagnetických polí rotoru a statoru.

V drážkách magnetického obvodu statoru na diametrálně opačných koncích jsou vodiče vinutí, schematicky znázorněné ve formě rámu, kterým protéká střídavý proud.

Uvažujme případ pro časový okamžik odpovídající průchodu kladné části její půlvlny.

Rotor s vestavěným permanentním magnetem se volně otáčí v ložiskových drahách, které mají jasně definovaný severní „N ústí“ a jižní „S ústí“ pól. Když statorovým vinutím protéká kladná půlvlna proudu, vzniká v něm magnetické pole s póly „S st“ a „N st“.

Mezi magnetickými poli rotoru a statoru vznikají interakční síly (jako se póly odpuzují a opačné póly přitahují), které mají tendenci otáčet kotvu elektromotoru z libovolné polohy do konečné polohy, kdy jsou opačné póly umístěny co nejblíže. pokud možno vůči sobě navzájem.

Uvažujeme-li stejný případ, ale pro okamžik, kdy kostrovým vodičem protéká zpětná – záporná půlvlna proudu, dojde k otáčení kotvy v opačném směru.

Pro zajištění nepřetržitého pohybu rotoru není ve statoru vytvořen jeden rám vinutí, ale určitý počet, přičemž je třeba vzít v úvahu, že každý z nich je napájen samostatným zdrojem proudu.

Princip činnosti třífázového střídavého motoru se synchronním otáčením elektromagnetických polí rotoru a statoru je znázorněn na následujícím obrázku.

V tomto provedení jsou uvnitř magnetického obvodu statoru namontována tři vinutí A, B a C, vzájemně posunutá pod úhly 120 stupňů. Vinutí A je zvýrazněno žlutě, B zeleně a C červeně. Každé vinutí je vyrobeno se stejnými rámečky jako v předchozím případě.

Na obrázku pro každý případ prochází proud pouze jedním vinutím v dopředném nebo zpětném směru, což je znázorněno znaménky „+“ a „-“.

Když kladná půlvlna prochází fází A v dopředném směru, osa rotorového pole zaujme vodorovnou polohu, protože magnetické póly statoru jsou vytvořeny v této rovině a přitahují pohyblivou kotvu. Opačné póly rotoru mají tendenci se přibližovat k pólům statoru.

Když kladná půlvlna následuje po fázi C, kotva se otočí o 60 stupňů ve směru hodinových ručiček. Po přivedení proudu do fáze B dojde k podobné rotaci kotvy. Každý postupný tok proudu v další fázi dalšího vinutí otočí rotor.

Pokud je do každého vinutí přivedeno třífázové síťové napětí posunuté pod úhlem 120 stupňů, pak v nich budou kolovat střídavé proudy, které roztáčí kotvu a vytvářejí její synchronní rotaci s přiváděným elektromagnetickým polem.

Stejná mechanická konstrukce byla úspěšně použita u třífázového krokového motoru. Pouze v každém vinutí jsou pomocí ovládání speciálního regulátoru (budiče krokového motoru) přiváděny a odváděny stejnosměrné impulsy podle výše popsaného algoritmu.

Jejich start zahájí rotační pohyb a zastavení v určitém okamžiku zajistí dávkované otáčení hřídele a zastaví se v naprogramovaném úhlu pro provedení určitých technologických operací.

U obou popsaných třífázových systémů je možné měnit směr otáčení kotvy. Chcete-li to provést, stačí změnit sled fází „A“ – „B“ – „C“ na něco jiného, ​​například „A“ – „C“ – „B“.

Rychlost otáčení rotoru je regulována délkou periody T. Její snížení vede ke zrychlení otáčení. Velikost amplitudy proudu ve fázi závisí na vnitřním odporu vinutí a hodnotě napětí na něj aplikovaného. Určuje velikost točivého momentu a výkon elektromotoru.

Tyto konstrukce motorů mají stejný magnetický obvod statoru s vinutím jako u dříve diskutovaných jednofázových a třífázových modelů. Svůj název získaly díky nesynchronnímu otáčení elektromagnetických polí kotvy a statoru. Toho bylo dosaženo vylepšením konfigurace rotoru.

Jeho jádro je vyrobeno z elektrotechnických ocelových plechů s drážkami. Jsou vybaveny hliníkovými nebo měděnými proudovými vodiči, které jsou na koncích kotvy uzavřeny vodivými kroužky.

Při přivedení napětí na vinutí statoru se elektromotorickou silou indukuje elektrický proud ve vinutí rotoru a vzniká magnetické pole kotvy. Když se tato elektromagnetická pole vzájemně ovlivňují, hřídel motoru se začne otáčet.

U této konstrukce je pohyb rotoru možný až poté, co ve statoru vznikne točivé elektromagnetické pole a pokračuje s ním v asynchronním režimu provozu.

Asynchronní motory jsou konstrukčně jednodušší. Proto jsou levnější a široce používané v průmyslových instalacích a domácích spotřebičích.

Motor ABB odolný proti výbuchu

Mnoho pracovních částí průmyslových mechanismů vykonává vratný nebo translační pohyb v jedné rovině, nezbytný pro provoz kovoobráběcích strojů, vozidel, údery kladivem při zarážení pilot.

Přesun takového pracovního tělesa pomocí převodovek, kuličkových šroubů, řemenových pohonů a podobných mechanických zařízení z rotačního elektromotoru komplikuje konstrukci. Moderním technickým řešením tohoto problému je provoz lineárního elektromotoru.

Jeho stator a rotor jsou podlouhlé ve formě pásů a nejsou složeny do prstenců, jako u rotačních elektromotorů.

Princip činnosti spočívá v udělování vratného lineárního pohybu oběžnému rotoru v důsledku přenosu elektromagnetické energie ze stacionárního statoru s otevřeným magnetickým obvodem určité délky. Uvnitř ní se střídavým zapínáním proudu vytváří běžící magnetické pole.

Působí na vinutí kotvy s komutátorem. Síly vznikající v takovém motoru pohybují rotorem pouze v lineárním směru podél vodicích prvků.

Lineární motory jsou navrženy pro provoz na stejnosměrný nebo střídavý proud a mohou pracovat v synchronním nebo asynchronním režimu.

Nevýhody lineárních motorů jsou:

• složitost technologie;
• vysoká cena;
• nízké energetické hladiny.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí:

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