Elektromos motorok

Elektromos motorok

Elektromos motorok életünk számos területén jelen vannak. Ismerjük meg a típusait!

Fizika

Címkék

elektromotor, elektromágneses indukció, indukció, hajtómű, egyenáramú motor, váltóáramú motor, jobbkéz-szabály, elektromágnes, mágneses erővonalak, indukált áram, egyenáram, tekercs, elektromos áram, mágneses mező, mágneses erő, vasmag, gép, energia, váltakozó áram, elektro, fizika, elektromos, elektromosság

Kapcsolódó extrák

Jelenetek

Az elektromos áram és a mágneses tér kölcsönhatása

  • áramjárta vezeték
  • mágneses indukcióvonalak - A valóságban nem léteznek, pusztán a mágneses tér szemléltetésére használjuk. Sűrűségük mutatja az adott pont környékén a mágneses tér indukciójának a nagyságát, a vonalak iránya pedig az indukció irányát.

Minden villanymotor az elektromos áram mágneses hatását használja ki működése során.
Ha egy vezetékben áram folyik, akkor a vezeték körül mágneses tér jön létre, és ugyanúgy hat egy állandó mágnesre, mint egy másik állandó mágnes, viszont megvan az az előnye, hogy szabályozható.
A létrejövő mágneses tér ereje függ a vezetékben folyó áram erősségétől és a vezetéktől való távolságtól, iránya pedig az áram irányától.

Meghajlított vezeték

  • áramjárta vezeték
  • mágneses indukcióvonalak - A valóságban nem léteznek, pusztán a mágneses tér szemléltetésére használjuk. Sűrűségük mutatja az adott pont környékén a mágneses tér indukciójának a nagyságát, a vonalak iránya pedig az indukció irányát.

A tekercs mint elektromágnes

  • áramjárta vezeték - A benne folyó áram erősségével szabályozható a mágneses tér ereje.
  • mágneses indukcióvonalak - Összesűrűsödnek a görbült vezetőgyűrű belsejében, ezért ott erősebb lesz a mágneses tér.
  • vasmag - A mágneses tér erősségét befolyásolja a tekercset kitöltő anyag összetétele.

Tovább lehet erősíteni az elektromos áram által keltett mágneses teret, ha körbecsavarjuk a vezetéket, mivel így a mágneses indukcióvonalak a gyűrű belsejében összesűrűsödnek.
Még tovább erősödik a mágneses tér, ha több gyűrűt helyezünk egymás mellé, vagyis tekercset formálunk a vezetékből, valamint ha a belsejébe mágnesezhető anyagból, pl. vasból készült hengert (vasmagot) helyezünk.
Az így összeállított tekercs az elektromágnes, ez minden villanymotorban megtalálható.

Indukció

  • tekercs
  • mozgó mágnes
  • ampermérő

Nemcsak az elektromos áram tud mágneses teret létrehozni; a mágneses tér is tud elektromos áramot létrehozni.
Ez az elektromágneses indukció jelensége.
Áramot indukálni csak változó mágneses mező tud. Ha egy tekercs környezetében megváltozik a mágneses mező, akkor a tekercsben elektromos feszültség indukálódik, ennek hatására jön létre az elektromos áram.
Az így létrejött áramnak is lesz mágneses tere, így a két mágneses mező hathat egymásra.

Egyenáramú villanymotor

  • mágnes
  • tekercs - Ha áramot vezetünk egy fémtekercsbe, körülötte mágneses tér jön létre, ezért úgy fog viselkedni, mint egy mágnes, tehát próbál befordulni az állórészben található állandó mágnes irányába.
  • kommutátor - A kommutátor együtt forog a motor forgórészével, a szénkeféken keresztül ez az alkatrész veszi fel a kívülről érkező áramot, és vezeti a forgórész tekercseibe. Legegyszerűbb esetben két pólusra van szükség, ezért ilyenkor két félgyűrűből áll. Ahogy fordul, minden félfordulatnál megcserélődnek az áram pólusai, ezért hívják kommutátornak, ami irányváltót jelent.
  • csúszóérintkező (kefe) - Az áram ezen keresztül folyik rá az irányváltóra, majd azon keresztül a tekercsre. Általában szénből készül.
  • vasmag - A vasmag feladata a tekercs által létrehozott mágneses tér felerősítése.
  • szigetelő gyűrű

A villanymotorok alapvetően két típusba sorolhatók: egyenáramú és váltóáramú motorok.
Az egyenáramú motorokat egyenáram hajtja, amit vagy akkumulátor biztosít, vagy tápegység. A legegyszerűbb esetben az állórész egy állandó mágnes, a forgórész pedig egy elektromágnes, vagyis egy tekercs.

A forgó tekercsbe egy kommutátoron és a vele érintkező szénkeféken keresztül vezetjük az áramot. A tekercsbe vezetett áram hatására a tekercs mágneses lesz, megpróbál befordulni az állandó mágnes irányába, de mielőtt a megfelelő irányba állna, a kommutátoron megcserélődnek a pólusok, ezért a tekercsben ellentétes irányba kezd folyni az áram. Emiatt a tekercs taszítani fogja a mágnes pólusait és továbblendül az ellentétes pólusok felé. Ez így megy újra és újra, így marad forgásban a motor.

A forgórészben sokszor több tekercset alkalmaznak, ez egyenletesebb működést biztosít. Ilyenkor a kommutátornak is több pólusa van, nem csak kettő.
Az egyenáramú motorok hátránya, hogy a szénkefék kopnak, ezért azokat időnként cserélni kell, másrészt a kialakuló szénpor miatt könnyen zárlatossá válnak, ráadásul zajosak is.

Váltóáramú szinkronmotor

  • forgórész - A forgórész állandó mágnese próbálja követni az állórész forgó mágneses terét.
  • állórész - Az állórész tekercsei forgó mágneses teret hoznak létre.
  • szabályzóelektronika - Az egyes tekercsek árama között fáziscsúszás van, ezt biztosítja a szabályzóelektronika.
  • váltóáram

A villanymotorok másik nagy csoportját a váltóáramú motorok alkotják. Ezen belül vannak szinkronmotorok és aszinkronmotorok.

A szinkronmotorokban az állórész tekercseibe periodikusan váltakozó áramot vezetünk. Ilyen áramot vagy a hálózati feszültségből vagy elektronikus úton állíthatunk elő. Ha az állórész egyes tekercseiben nem azonos fázisban váltakozik az áram, akkor forgó mágneses tér keletkezik.
A fáziseltérést vagy egyszerű kondenzátorok közbeiktatásával biztosítják, vagy bonyolultabb szabályzóelektronika segítségével. A forgórészben legtöbbször állandó mágnesek találhatók, de lehetnek ott is (kívülről táplált egyenáramú) tekercsek.
A forgórész mágnese követni próbálja az állórész forgó mágneses terét, ezért vele együtt forog.

Ha terheljük az ilyen típusú villanymotort, akkor a terheléstől függően kicsit lemarad a forgórész az állórész forgó mágneses terétől, de a fordulatszáma ugyanakkora marad. A szinkronmotorok tehát csakis a meghajtó áram frekvenciájának megfelelő fordulatszámon működhetnek. Túl nagy terheléskor viszont kieshetnek a szinkronból, és megállhat a motor. Induláskor is szükség van olyan megoldásra, ami segíti elindulni ezeket a motorokat, legtöbbjük indukciós motorként indul, és csak felpörgés után vált szinkron üzemmódba.

Járművek hajtásakor a szinkronmotort tápláló váltakozó áram frekvenciáját elektronikusan szabályozzák a jármű kívánt sebességének megfelelően. Mivel a modern elektromos járművekben a váltakozó áramot egy elektronikus áramkör hozza létre egyenáramból, ezért a felhasználó számára ezek a motorok egyenáramú motoroknak tekinthetők. Úgy is nevezik őket, hogy kefe nélküli egyenáramú motorok, vagy BLDC motorok, ami az angol brushless DC motor rövidítése.

Az állandó mágneses forgórészű szinkronmotorok nagy előnye az egyenáramú motorokhoz képest, hogy nincs szükség csúszóérintkezőkre (kefékre), tehát nincs kopó alkatrész bennük, működésük pedig szinte zajtalan.

Váltóáramú aszinkronmotor

  • forgórész - A forgórész lehet egy egyszerű fémhenger is, amelyben áram indukálódik a változó mágneses tér hatására.
  • állórész - Az állórész tekercsei forgó mágneses teret hoznak létre.
  • szabályzóelektronika - Az egyes tekercsek árama között fáziscsúszás van, ezt biztosítja a szabályzóelektronika.

A váltóáramú aszinkronmotor (más néven Tesla-féle motor) az indukció jelenségén alapszik, ezért ezt indukciós motornak is hívják.
Ez is két részből áll: egy állórészből és egy forgórészből. Az állórész több tekercsből áll, ezekbe vezetjük a váltakozó áramot. A forgórész lehet egy egyszerű fémhenger is, de általában a forgórészben is tekercset találhatunk, amelyet rövidre zárunk, nem vezetünk bele kívülről áramot.

Működésének folyamata a következő lépésekben történik:
1) Az állórész tekercseiben nem azonos fázisban folyik a váltakozó áram, ezért egy forgó mágneses tér jön létre a tekercsek körül.
2) Ez a forgó, tehát változó mágneses tér elektromos áramot indukál a forgórészben.
3) Az így létrejövő áram újabb mágneses teret hoz létre a forgórész körül.
4) A két mágneses tér kölcsönhatásba lép egymással, ezért a forgórész megpróbál befordulni a külső mágneses térnek megfelelően, de mivel az forog, soha nem éri utol, állandó lesz a forgás.

Forgó mágneses tér csak akkor jön létre, ha az állórész tekercsei nem egyszerre dolgoznak, hanem eltérő fázisban. Ha többfázisú árammal hajtjuk meg a motort, akkor az állórész tekercseit sorban más-más fázisra kell kötni, így biztosított a forgó mágneses tér.
Ha egyfázisú árammal hajtjuk a motort, akkor a külső tekercsek táplálásának fáziseltolását vagy egy-egy kondenzátor, vagy – manapság – elektronika biztosítja.
Ha nincs fáziseltolás, akkor a motor nem indul el magától, viszont ha segítünk neki beindulni, akkor már forgásban marad fáziseltolás nélkül is.
Az aszinkronmotorok működtetése kevésbé bonyolult mint a szinkronmotoroké, hiszen ezek nem állhatnak le terhelés esetén.

Lineáris motorok

  • állórész - mágnesek
  • mozgórész - tekercsek
  • érzékelő

Mindkét váltóáramú motortípusnak létezik lineáris változata is: LIM (Linear Induction Motor) és LSM (Linear Synchronous Motor).
Ezekben a gépekben a motor működése nem forgómozgást eredményez, hanem haladó mozgást.
Működési elve teljesen megegyezik a forgó motorokéval, azzal a különbséggel, hogy a mozgórész is és az állórész is "ki van terítve" egy egyenes mentén.
Még egy különbség forgó társaikhoz képest, hogy ezeknél általában a tekercseket tartalmazó rész a mozgórész, és nem a mágneses vagy mágnesezhető rész.

Az LIM típusú lineáris motornál többfázisú váltóáramot vezetünk a mozgó tekercssorba, melynek hatására haladó mágneses tér keletkezik. Ez áramot indukál az álló fémsínben, amelynek mágneses tere eltolja magától a tekercseket tartalmazó mozgó motorrészt.

Az LSM típusú motorok esetén a sínt mágnesekkel kell végig kirakni, és a mozgórész tekercseiben folyó váltakozó áramot a haladásnak megfelelően kell változtatni, hogy mindig megfelelő fázisban érkezzen a következő mágnesig. Ennek megvalósítása érzékelők és szabályzóelektronika nélkül nem lehetséges.

Stepper motor (léptetőmotor)

  • forgórész - A forgórész lehet egy egyszerű fémhenger is, amelyben áram indukálódik a változó mágneses tér hatására.
  • állórész - Az állórész tekercsei forgó mágneses teret hoznak létre.
  • szabályzóelektronika - Az egyes tekercsek árama között fáziscsúszás van, ezt biztosítja a szabályzóelektronika.

A léptetőmotor (stepper motor) olyan berendezésekben nagyon hasznos, amelyek esetében pontosan kell tudni, hogy az adott árammennyiség hatására a motor mekkora szögben fordul el.
Ilyen motorok forgatják a robotok karjait, vagy a fénymásolók, nyomtatók alkatrészeit. A léptetőmotorok forgórésze állandó mágnesekből áll, állórésze elektromágnesekből.
Az állórész elektromágneseit a vezérlő elektronika látja el árammal külön-külön a kívánt szögelfordulásnak megfelelően.
Minél több mágnest építünk a forgórészbe és minél több elektromágnest az állórészbe, annál kisebb lesz az a szög, amennyit a motor lépni tud, tehát annál pontosabban lehet beállítani egy kívánt irányba.
A motor „felbontását” úgy is növelni lehet, ha a forgórész mágnesei fogazottak és az állórész elektromágneseinek vasmagjai is fogazottak. Tovább növelhető a felbontás a tekercsekbe juttatott vezérlő áram precíz módosításával.

Narráció

Az elektromos motorok az életünk számos területén vannak jelen. A villanymotoroknak számos fajtája létezik, de minden villanymotor az elektromos áram mágneses hatását használja ki működése során.
Ha egy vezetékben áram folyik, akkor a vezeték körül mágneses tér jön létre. A mágneses tér ereje függ az áthaladó áram erősségétől és a vezetéktől való távolságtól.

Tovább lehet erősíteni az elektromos áram által keltett mágneses teret, ha tekercset formálunk a vezetékből. Az így összeállított tekercs az elektromágnes, ez minden villanymotorban megtalálható. Az elektromágnes ereje és pólusainak elhelyezkedése a benne folyó áram révén szabályozható.

Nemcsak az elektromos áram tud mágneses teret létrehozni, hanem a mágneses tér is tud elektromos áramot létrehozni. Ez az elektromágneses indukció jelensége. Áramot indukálni csak változó mágneses mező tud. Ha egy tekercs környezetében megváltozik a mágneses mező, akkor a tekercsben elektromos feszültség indukálódik, ennek hatására jön létre az elektromos áram. Az így létrejött áramnak is lesz mágneses tere, így a két mágneses mező hathat egymásra. Az elektromos motorok egy része ezt a jelenséget is kihasználja.

A villanymotorok alapvetően két típusba sorolhatók: egyenáramú és váltóáramú motorok. Az egyenáramú motorokat egyenáram hajtja, állórészük egy állandó mágnes, forgórészük pedig egy elektromágnes. A forgó tekercsbe egy kommutátoron és a vele érintkező szénkeféken keresztül vezetjük az áramot. A tekercsbe vezetett áram hatására a tekercs mágneses lesz, megpróbál befordulni az állandó mágnes irányába, de mielőtt a megfelelő irányba állna, a kommutátoron megcserélődnek a pólusok, ezért a tekercsben ellentétes irányba kezd folyni az áram. Emiatt a tekercs taszítani fogja a mágnes pólusait és továbblendül az ellentétes pólusok felé. Ez így megy újra és újra, így marad forgásban a motor.

A villanymotorok másik nagy csoportját a váltóáramú motorok alkotják. Ezen belül vannak szinkronmotorok és aszinkronmotorok. A szinkronmotorokban az állórész tekercseire periodikusan váltakozó feszültséget kapcsolunk, melyet például a hálózatban is találhatunk. Egy egyszerű elektronikus áramkör gondoskodik arról, hogy az állórész egyes tekercseiben ne azonos fázisban váltakozzon az áram, így forgó mágneses tér keletkezik. A forgórész mágnese követni próbálja az állórész forgó mágneses terét, ezért vele együtt forog. A szinkronmotorok csakis a meghajtó áram frekvenciájának megfelelő fordulatszámon működhetnek. Túl nagy terheléskor viszont kieshetnek a szinkronból, és megállhat a motor. Induláskor is szükség van olyan megoldásra, ami segíti elindulni ezeket a motorokat. Ezt a problémát úgy hidalják át a modern elektromos járművekben, hogy a váltakozó áramot egy elektronikus áramkör hozza létre egyenáramból, és érzékelők gondoskodnak arról, hogy az állórész tekercsei mindig a megfelelő fázisban kapják az áramot, így nem eshet ki a szinkronból a motor működése. A felhasználó számára ezek a motorok egyenáramú motoroknak tekinthetők, ezért úgy is nevezik őket, hogy kefe nélküli egyenáramú motorok. Az állandó mágneses forgórészű szinkronmotorok nagy előnye az egyenáramú motorokhoz képest, hogy nincs szükség csúszóérintkezőkre (kefékre), tehát nincs kopó alkatrész bennük, működésük pedig szinte zajtalan.

A váltóáramú aszinkronmotor (más néven Tesla-féle motor) az indukció jelenségén alapszik. Ez is két részből áll: egy állórészből és egy forgórészből. Az állórész több tekercsből áll, ezekbe vezetjük a váltakozó áramot. A forgórész lehet egy egyszerű fémhenger is, de általában a forgórészben is tekercset találhatunk, amelybe áramot nem vezetünk kívülről, az elektromos áram majd az indukció révén jelenik meg benne.
Az állórész tekercseiben nem azonos fázisban folyik a váltakozó áram, ezért egy forgó mágneses tér jön létre körülöttük. Ez a forgó, tehát változó mágneses tér elektromos áramot indukál a forgórészben. Az így létrejövő áram újabb mágneses teret hoz létre a forgórész körül. A két mágneses tér kölcsönhatásba lép egymással, ezért a forgórész megpróbál befordulni a külső mágneses térnek megfelelően, de mivel az forog, soha nem éri utol, állandó lesz a forgás.
Az aszinkronmotorok működtetése kevésbé bonyolult mint a szinkronmotoroké, hiszen ezek nem állhatnak le terhelés esetén.

Mindkét váltóáramú motortípusnak létezik lineáris változata is: LIM (Linear Induction Motor) és LSM (Linear Synchronous Motor). Ezekben a gépekben a motor működése nem forgómozgást, hanem haladó mozgást eredményez. Működési elve teljesen megegyezik a forgó motorokéval, azzal a különbséggel, hogy a forgórész is és az állórész is ki van terítve egy egyenes mentén.

A léptetőmotor (stepper motor) olyan berendezésekben hasznos, amelyeknél pontosan kell tudni, hogy az adott árammennyiség hatására a motor mekkora szögben fordul el. Ilyen motorok forgatják a robotok karjait, vagy a fénymásolók, nyomtatók alkatrészeit. A léptetőmotorok forgórésze állandó mágnesekből áll, állórésze elektromágnesekből. Az állórész elektromágneseit a vezérlő elektronika látja el árammal külön-külön a kívánt szögelfordulásnak megfelelően.

Kapcsolódó extrák

Egyenáramú motor

Az egyenáramú motor állandó mágnesei között egy vezeték (tekercs) található, melyben áram folyik.

Generátor és villanymotor

A generátor mechanikai munkából állít elő elektromos áramot, a villanymotor elektromos áramból állít elő mechanikai munkát.

Váltakozó áram előállítása

Mágneses mezőben forgatott vezetőkeret segítségével elektromos áram állítható elő.

A kondenzátor

A kondenzátor olyan eszköz, amelyben energiát lehet felhalmozni és tárolni elektromos töltés formájában.

Elektromos csengő

Elektromágnes segítségével működő szerkezet.

Dinamó (középfok)

A dinamó mechanikai energiából egyenáramú villamos energiát állít elő.

Magnetron

A mikrohullámú sütő egyik fontos alkotóeleme a magnetron, amely a mikrohullámokat állítja elő.

Nikola Tesla laboratóriuma (Shoreham, USA)

Az elsősorban elektrotechnikával foglalkozó mérnök-feltaláló kétségkívül a második ipari forradalom egyik legzseniálisabb alakja volt.

Transzformátor

A transzformátor az elektromos feszültség megváltoztatására szolgáló berendezés.

Elektromos autó

A Tesla Model-S az egyik első olyan elektromos autó, amely hétköznapi használatra is alkalmas.

Hogyan működik a hajszárító?

Az animáció bemutatja a hajszárító felépítését és működésének fizikai magyarázatát.

Hogyan működik a lézernyomtató?

Az animáció segítségével megismerhetjük a lézernyomtató szerkezetét és működését.

Környezetbarát autók

A benzin- és elektromos meghajtás kombinálásával a károsanyag-kibocsátás csökkenthető.

Lebegő mágnesvasút (maglev)

Napjaink legmodernebb közlekedési eszközeinek egyike a 400 km/h feletti sebességre is képes mágnesvonat.

Kosárba helyezve!