Princip činnosti elektromotoru je založen na efektu, který objevil Michael Faraday již v roce 1821. Objevil, že když elektrický proud ve vodiči interaguje s magnetem, může dojít k nepřetržité rotaci.
Princip činnosti stejnosměrného motoru
Pokud je rám umístěn ve svislé poloze v rovnoměrném magnetickém poli a prochází jím proud, pak kolem vodiče vznikne elektromagnetické pole, které bude interagovat s póly magnetů. Rám bude od jedné odpuzován a přitahován k druhé. Tím se rám otočí do vodorovné polohy, ve které bude nulový vliv magnetického pole na vodič. Aby rotace pokračovala, musíte ve správný čas přidat další snímek pod úhlem nebo změnit směr proudu ve snímku. Na obrázku výše je to provedeno pomocí dvou polokroužků, ke kterým přiléhají kontaktní destičky z baterie. V důsledku toho se po dokončení půlotočky změní polarita a rotace pokračuje.
V moderních elektromotorech se místo permanentních magnetů používají k vytvoření magnetického pole induktory nebo elektromagnety. Pokud rozeberete jakýkoli motor, uvidíte stočené cívky drátu potažené izolačním lakem. Tyto závity jsou elektromagnety nebo, jak se jim také říká, budicí vinutí.
Jednoduše řečeno o složitosti
Ve skutečnosti existuje vektorový součin, diferenciály atd. ale to jsou detaily a máme zjednodušený případ. Tak…
Rýže. 1 Základ činnosti elektromotoru
Směr ampérové síly je určen pravidlem levé ruky.
Rýže. 2 Pravidlo levé ruky
V duchu položte levou dlaň na horní postavu a zjistěte směr sil Ampere. Je to jako natahování rámu proudem v poloze, jak je znázorněno na obr.1. A nikde se nic nebude točit, rám je v rovnováze, stabilní.
A pokud se rám s proudem otočí jinak, stane se toto:
Rýže. 3 Rám
Zde již není rovnováha; Ampérova síla otočí protilehlé stěny, takže se rám začne otáčet. Objeví se mechanické otáčení. To je základ elektromotoru, samotná podstata, pak už jen detaily.
Co teď udělá rám s proudem na obr. 3? Pokud je systém ideální, bez tření, pak bude zjevně kolísání. Je-li přítomno tření, pak oscilace postupně odezní, smyčka s proudem se ustálí a stane se jako na obr. 1.
Potřebujeme ale konstantní rotaci a toho lze dosáhnout dvěma zásadně odlišnými způsoby a zde vzniká rozdíl mezi stejnosměrnými a střídavými třífázovými motory.
Princip činnosti stejnosměrného motoru
Metoda 1. Změňte směr proudu v rámci.
Tato metoda se používá u stejnosměrných motorů a jejich potomků.
Podívejme se na obrázky. Nechte náš motor bez napětí a rám s proudem je orientován nějak náhodně, například takto:
Rýže. 4.1 Náhodně umístěný rám
Náhodně umístěný rám je ovlivněn ampérovou silou a začne se otáčet.
Obr. 4.2
Během pohybu rám dosahuje úhlu 90°. Moment (moment dvojice sil nebo momentu) je maximální.
Obr. 4.3
A nyní se rám dostane do polohy, kde není žádný moment otáčení. A pokud se proud nyní nevypne, tak již Ampérová síla rám zpomalí a na konci půlotáčení se rám zastaví a začne se otáčet v opačném směru. Ale tohle nepotřebujeme.
Na obr. 3 proto provedeme záludný tah – změníme směr proudu v rámu.
Obr. 4.4
A nyní, po překročení této polohy, se již rám s obráceným směrem proudu nezpomaluje, ale opět zrychluje.
Obr. 4.5
A když se rám přiblíží k další rovnovážné poloze, opět změníme proud.
Obr. 4.6
A rám opět pokračuje ve zrychlování tam, kde potřebujeme.
Takto se získá konstantní rotace. Krásná? Krásná. Stačí dvakrát za otáčku změnit směr proudu a je to.
A to dělá, tzn. zajišťuje změnu proudu speciální jednotka – kartáč-kolektor. V zásadě je to nastaveno takto:
Obr. 5
Obrázek je jasný a bez vysvětlení. Rám drhne na jeden kontakt, pak na druhý a tak se mění proud.
Velmi důležitou vlastností sestavy kartáč-kolektor je její malý zdroj. Kvůli tření. Zde je například motor DPR-52-N1 – minimální doba provozu je 1000 hodin. Životnost moderních bezkomutátorových motorů je přitom více než 10000 40000 hodin a střídavých motorů (také chybí ovládací panel) více než XNUMX XNUMX hodin.
Princip činnosti střídavého motoru
Způsob 2. Magnetický tok rotuje, tzn. magnetické pole.
Rotující magnetické pole se získává pomocí střídavého třífázového proudu. Zde je stator.
Rýže. 6 Stator motoru
A to znamená 3 fáze střídavého proudu.
Obr. 7
Mezi nimi, jak je vidět na Obr. 7 120 stupňů, elektrické stupně.
Tyto tři fáze jsou ve statoru uloženy speciálním způsobem tak, že jsou vůči sobě geometricky pootočeny o 120°.
Obr. 8
A pak, když je dodáváno třífázové napájení, získá se rotující magnetické pole samo díky přidání magnetických toků ze tří vinutí.
Rýže. 9 Rotující magnetické pole
Rotující magnetické pole dále ovlivňuje ampérovou sílu na náš rám a ten se otáčí.
Ale i zde jsou rozdíly, dva různé způsoby.
Metoda 2a. Rám je poháněn (synchronní motor).
Na rám přivedeme napětí (konstantu), rám se nastaví podle magnetického pole. Pamatujete si obrázek 1 od úplného začátku? Tak se stává rám.
Rýže. 10 (obr. 1)
Ale magnetické pole, které zde máme, se otáčí, a ne jen tak visí. Co udělá rám? Bude se také otáčet podle magnetického pole.
Otáčejí se (rám a pole) se stejnou frekvencí nebo synchronně, proto se takové motory nazývají synchronní motory.
Způsob 2b. Rám není napájen (asynchronní motor).
Trik je v tom, že rám není napájen, není napájen vůbec. Jen je ten drát tak uzavřený.
Když začneme otáčet magnetickým polem, podle zákonů elektromagnetismu se v rámu indukuje proud. Z tohoto proudu a magnetického pole se získá síla Ampér. Ampérova síla však vznikne pouze tehdy, pokud se rám pohybuje vzhledem k magnetickému poli (známý příběh s Amperovými experimenty a jeho výlety do vedlejší místnosti).
Takže rám bude vždy zaostávat za magnetickým polem. A pak, když ho z nějakého důvodu náhle dohoní, zmizí sběrač z pole, zmizí proud, zmizí ampérová síla a zmizí úplně všechno. To znamená, že u asynchronního motoru rám vždy zaostává za polem a jejich frekvence znamená jinou, to znamená, že se točí asynchronně, proto se motor nazývá asynchronní.
Éra elektromotorů se datuje do 30. let XNUMX. století, kdy Faraday experimenty dokázal, že vodič, kterým prochází proud, se může otáčet kolem permanentního magnetu. Na základě tohoto principu Thomas Davenport navrhl a otestoval první stejnosměrný motor. Vynálezce nainstaloval své zařízení na funkční model vlaku, čímž prokázal účinnost elektromotoru.
Praktickou aplikaci DPT našel B. S. Jacobi, který jej nainstaloval na loď, aby otáčel lopatky. Jako zdroj proudu vědci sloužilo 320 galvanických článků. Navzdory objemnému vybavení mohl člun plavat proti proudu a na palubě vezl 12 cestujících.
Teprve koncem XNUMX. století se průmyslové stroje začaly vybavovat synchronními elektromotory. To bylo usnadněno realizací principu přeměny mechanické energie na elektrickou stejnosměrným elektromotorem. Čili pomocí elektromotoru v režimu generátoru bylo možné získat elektřinu, jejíž výroba vyšla podstatně levněji než náklady na výrobu galvanických článků. Od té doby se elektromotory zdokonalily a začaly si získávat silnou pozici ve všech sférách našeho života.
Zařízení a popis DPT
Konstrukčně je stejnosměrný motor uspořádán podle principu interakce magnetických polí.
Nejjednodušší DPT se skládá z následujících hlavních jednotek:
- Dvě vinutí s jádry zapojenými do série. Tato konstrukce je umístěna na hřídeli a tvoří jednotku nazývanou rotor nebo kotva.
- Dva permanentní magnety otočené různými póly k vinutí. Plní úlohu pevného statoru.
- Sběrač – dvě půlkruhové, izolované desky umístěné na hřídeli DPT.
- Dva pevné kontaktní prvky (kartáče) určené k přenosu elektrického proudu přes kolektor do budicích vinutí.
Výše diskutovaný příklad je spíše pracovní model kolektorového motoru. V praxi se taková zařízení nepoužívají. Problém je v tom, že tento motor má velmi malý výkon. Funguje to trhavě, zvláště když je připojena mechanická zátěž.
Stator (induktor)
V modelech výkonných moderních stejnosměrných motorů se používají statory, jsou to také induktory, ve formě cívek navinutých na jádrech. Když je elektrický obvod uzavřen, tvoří se pod vlivem vznikající elektromagnetické indukce magnetické siločáry.
Pro napájení vinutí induktoru DCT lze použít různá schémata připojení:
- s nezávislým buzením vinutí;
- paralelní připojení k vinutí kotvy;
- možnosti se sekvenčním buzením cívek rotoru a statoru;
- smíšené připojení.
Schémata zapojení jsou jasně vidět na obrázku 2.
Obrázek 2. Schémata zapojení vinutí statoru DCT
Každá metoda má své výhody a nevýhody. Způsob připojení je často dán podmínkami, ve kterých má být stejnosměrný motor provozován. Zejména pokud je požadováno snížení jiskření kolektoru, pak se používá paralelní zapojení. Pro zvýšení točivého momentu je lepší použít obvody se sériovým zapojením vinutí. Přítomnost vysokých startovacích proudů vytváří zvýšený elektrický výkon v době startování motoru. Tato metoda je vhodná pro stejnosměrný motor, který intenzivně pracuje v krátké době, jako je například startér. V tomto režimu provozu se části elektromotoru nestihnou přehřát, takže jejich opotřebení je zanedbatelné.
Rotor (kotva)
V příkladu primitivního elektromotoru diskutovaného výše se rotor skládá z dvouhrotové kotvy na jednom vinutí s jasně definovanými póly. Konstrukce zajišťuje otáčení hřídele motoru.
Popsané zařízení má významnou nevýhodu: když se rotace kotvy zastaví, její vinutí zaujímají stabilní polohu. Pro opětovné spuštění motoru je nutné udělit hřídeli určitý krouticí moment.
Kotva se třemi nebo více vinutími nemá tuto závažnou nevýhodu. Na obr. 3 je vyobrazen třívinutý rotor a Obr. 4 – kotva s velkým počtem vinutí.
Obrázek 3 Rotor se třemi vinutími Obrázek 4 Kotva s mnoha vinutími
Takové rotory jsou zcela běžné u malých elektromotorů s nízkým výkonem.
Pro stavbu výkonných trakčních motorů a pro zvýšení stability rychlosti otáčení se používají kotvy s velkým počtem vinutí. Schéma takového motoru je na obrázku 5.
Obrázek 5. Schéma elektromotoru s kotvou s více vinutím
Sběratel
Pokud je na svorky vinutí rotoru připojen stejnosměrný zdroj, kotva se o půl otáčky zastaví a zastaví se. Pro pokračování procesu rotace je nutné obrátit polaritu vstupního proudu. Zařízení, které provádí funkce spínacího proudu za účelem změny polarity na svorkách vinutí, se nazývá kolektor.
Nejjednodušší kolektor se skládá ze dvou izolovaných půlkruhových desek. Každý z nich je v určitém bodě v kontaktu s kartáčem, což uvolňuje napětí. Jedna lamela je vždy spojena s plusem a druhá s mínusem. Při otočení hřídele o 180° se kolektorové desky vymění, v důsledku čehož dojde k nové komutaci se změnou polarity.
Stejný princip spínání napájení vinutí se používá u všech kolektorů, včetně zařízení s velkým počtem lamel (pár pro každé vinutí). Komutátor tedy zajišťuje komutaci nutnou pro kontinuální otáčení rotoru.
U moderních konstrukcí kolektorů jsou lamely uspořádány do kruhu tak, že každá deska odpovídajícího páru je na diametrálně opačné straně. Obvod kotvy se přepne v důsledku změny polohy hřídele.
Princip činnosti
Ze školní lavice si pamatujeme, že na živý drát umístěný mezi póly magnetu působí vztlaková síla. To se děje proto, že se kolem drátu po celé jeho délce vytvoří magnetické pole. V důsledku interakce magnetických polí vzniká výsledná “ampérová” síla:
F=B×I×L, kde B znamená velikost magnetické indukce pole, I je síla proudu, L je délka drátu.
Ampérový vektor je vždy kolmý k čarám magnetického toku mezi póly. Schematicky je princip činnosti znázorněn na Obr. 6.
Rýže. 6. Princip činnosti DPT
Pokud místo přímého vodiče vezmeme obrysový rám a připojíme jej ke zdroji proudu, pak se otočí o 180º a zastaví se v poloze, ve které bude výsledná síla rovna 0. Zkusme rám zatlačit. Vrátí se do své původní polohy.
Změňme polaritu proudu a zkusme to znovu: rám udělal další půl otáčky. Je logické předpokládat, že je nutné obrátit směr proudu pokaždé, když odpovídající závity vinutí projdou body změny pólů magnetů. Právě pro tento účel byl kolektor stvořen.
Schematicky si lze každé vinutí kotvy představit jako samostatný obrysový rám. Pokud existuje několik vinutí, pak se v každém okamžiku jedno z nich přiblíží k magnetu statoru a je pod působením vztlakové síly. Tím je zachováno plynulé otáčení kotvy.
Typy DPT
Stávající stejnosměrné motory lze klasifikovat podle dvou hlavních znaků: podle přítomnosti nebo nepřítomnosti jednotky kartáč-kolektor v konstrukci motoru a podle typu magnetického systému statoru.
Podívejme se na hlavní rozdíly.
Přítomností jednotky kartáč-sběr
Stejnosměrné motory pro spínání vinutí, které využívají jednotky kartáč-komutátor, se nazývají komutátorové motory. Pokrývají širokou škálu modelů elektromotorů. Existují motory, v jejichž konstrukci je použito až 8 kartáčových komutátorových jednotek.
Funkce rotoru mohou být vykonávány permanentním magnetem a proud z elektrické sítě je přiváděn přímo do vinutí statoru. V tomto provedení není potřeba žádný kolektor a problémy spojené se spínáním jsou řešeny pomocí elektroniky.
U takových bezkomutátorových motorů je odstraněna jedna z nevýhod – jiskření, které vede k intenzivnímu opotřebení kolektorových desek a kartáčů. Navíc se snadněji udržují a zachovávají si všechny užitečné vlastnosti DPT: snadné ovládání spojené s regulací rychlosti, vysokou účinnost a další. Střídavé motory se nazývají bezkomutátorové motory.
Podle typu provedení magnetického systému statoru
V konstrukcích synchronních motorů se vyskytují modely s permanentními magnety a stejnosměrné motory s budicím vinutím. Zcela běžné jsou sériové elektromotory, které využívají statory s budicím tokem vinutí. Poskytují stabilní rychlost otáčení hřídelů, vysoký jmenovitý mechanický výkon.
Způsoby připojení statorových vinutí byly diskutovány výše. Ještě jednou zdůrazňujeme, že elektrická a trakční charakteristika stejnosměrných motorů závisí na volbě schématu zapojení. Liší se u sériových vinutí a u cívek s paralelním buzením.
Управление
Není těžké pochopit, že pokud změníte polaritu napětí, změní se i směr otáčení kotvy. To usnadňuje ovládání elektromotoru manipulací s polaritou kartáčků.
Mechanické vlastnosti
Uvažujme graf závislosti frekvence na momentu síly na hřídeli. Vidíme přímku se záporným sklonem. Tato přímka vyjadřuje mechanickou charakteristiku stejnosměrného motoru. Pro jeho konstrukci je zvoleno určité pevné napětí, které je dodáváno pro napájení vinutí rotoru.
Příklady mechanických charakteristik DCT nezávislého buzení
Řídicí charakteristika
Stejná přímka, ale jdoucí s kladným sklonem, je grafem závislosti rychlosti kotvy na napájecím napětí. Toto je řídicí charakteristika synchronního motoru.
Stavba zadaného harmonogramu se provádí v určitém okamžiku rozpracované DPT.
Příklad regulační charakteristiky motoru s kotvovým ovládáním
Díky linearitě charakteristik je řízení stejnosměrných motorů zjednodušeno. Protože síla F je úměrná proudu, lze změnou její hodnoty např. proměnným odporem řídit parametry elektromotoru.
Regulace otáček rotoru se snadno provádí změnou napětí. U kolektorových motorů se pomocí startovacích reostatů dosahuje plynulého nárůstu otáček, což je důležité zejména u trakčních motorů. Je to také jeden z účinných způsobů brzdění. Navíc v režimu brzdění synchronní elektromotor generuje elektrickou energii, kterou lze vrátit do elektrické sítě.
Aplikace
Výčet všech oblastí použití elektromotorů může být nekonečně dlouhý. Uveďme jen některé z nich jako příklad:
- domácí a průmyslové elektrické nářadí;
- automobilový průmysl – elektrická okna, ventilátory a další automatizace;
- tramvaje, trolejbusy, elektromobily, jeřáby a další mechanismy, pro které jsou důležité vysoké trakční vlastnosti.
Výhody a nevýhody
Mezi výhody patří:
- Lineární závislost charakteristik stejnosměrných motorů (přímky) zjednodušující řízení;
- Snadno nastavitelná rychlost;
- dobré startovací vlastnosti;
- kompaktní velikost.
U asynchronních motorů, což jsou střídavé motory, je velmi obtížné takové charakteristiky dosáhnout.
Nevýhody:
- omezený zdroj kolektoru a kartáčů;
- další ztráta času na preventivní údržbu spojenou s údržbou sestav kolektor-kartáč;
- vzhledem k tomu, že používáme sítě se střídavým napětím, je nutné proud usměrnit;
- vysoké náklady na výrobu kotev.
Podle uvedených parametrů mezi nevýhodami vítězí modely asynchronních motorů. V mnoha případech je však použití stejnosměrného elektromotoru jedinou možnou možností, která nevyžaduje komplikaci elektrického obvodu.
