Elektrické motory

Elektrické motory

Elektrické motory sú prítomné v mnohých oblastiach nášho každodenného života. Spoznajme ich jednotlivé typy!

Fyzika

Kľúčové slová

elektromotor, elektromagnetická indukcia, indukčné, motor, Elektromotor, striedavý motor, pravidlom pravej ruky, elektromagnet, magnetické siločiary, indukovaný prúd, jednosmerný prúd, cievka, elektrický prúd, magnetické pole, magnetická sila, železné jadro, stroj, elektrický motor, Energia, striedavý prúd, electro, fyzika, elektrický, elektrina

Súvisiace extra

Scénky

Vzájomné pôsobenie elektrického prúdu a magnetického poľa

Každý elektromotor využíva magnetický efekt elektrického prúdu.
Ak vedením preteká prúd, okolo vedenia vzniká magnetické pole. Toto magnetické pole pôsobí na permanentný magnet rovnako, akoby pôsobil iný permanentný magnet, avšak jeho výhodou je to, že sa dá regulovať.
Sila generovaného magnetického poľa závisí od intenzity prúdu pretekajúceho vedením a od vzdialenosti od vedenia, jeho smer závisí od smeru prúdu.

Ohnuté vedenie

Cievka ako elektromagnet

Magnetické pole generované elektrickým prúdom môžeme zosilniť tak, že na vedení vytvoríme slučku. Magnetické indukčné čiary sa budú vďaka tomu koncentrovať vo vnútri prstenca.
Magnetické pole sa ďalej zosilní, ak popri sebe umiestnime viacero prstencov, čiže z vedenia vyformujeme cievku, respektíve ak do jej vnútra umiestnime valec z magnetizovateľného materiálu, napríklad zo železa (železné jadro).
Takýmto spôsobom zostavená cievka je elektromagnet, ktorý sa nachádza v každom elektromotore.

Indukcia

Nielen elektrický prúd dokáže indukovať magnetické pole, ale aj magnetické pole vie indukovať elektrický prúd.
Tento jav sa nazýva elektromagnetickou indukciou.
Indukovať prúd vie len meniace sa magnetické pole. Ak sa v okolí cievky zmení magnetické pole, v cievke sa indukuje elektrické napätie, vplyvom ktorého vzniká elektrický prúd.
Takto vzniknutý prúd tiež vytvára magnetické pole, a tak tieto dve magnetické polia môžu na seba vzájomne pôsobiť.

Jednosmerný elektromotor

Elektromotory delíme na dva hlavné typy: jednosmerné a striedavé motory.
Jednosmerné motory sú poháňané jednosmerným prúdom, ktorý zabezpečuje akumulátor alebo napájacia jednotka. V najjednoduchších jednosmerných motoroch stator je permanentný magnet a rotor je elektromagnet, čiže cievka.

Do rotujúcej cievky sa prúd zavádza cez uhlíkové kefy a komutátor. Vplyvom zavedeného prúdu sa cievka stáva magnetom. Snaží sa otočiť do smeru permanentného magnetu, ale pred nadobudnutím správneho smeru v komutátore sa vymenia póly a cievkou začne pretekať prúd v opačnom smere. Cievka bude preto odpudzovať póly magnetu a bude sa ďalej otáčať smerom k opačným pólom. To sa stále opakuje a takto sa zabezpečuje rotácia motora.

V rotore sa často používa niekoľko cievok, čo zabezpečuje rovnomernejšie fungovanie. V takomto prípade aj komutátor má viac pólov, nie iba dva.
Nevýhodou jednosmerných motorov je to, že uhlíkové kefy sa opotrebovávajú a musia sa občas vymeniť, ďalej kvôli vznikajúcemu uhlíkovému prachu sa ľahko vytvorí skrat a navyše sú aj hlučné.

Striedavý synchrónny motor

Druhú hlavnú skupinu elektromotorov tvoria striedavé motory, ktoré môžu byť synchrónne a asynchrónne.

V synchrónnych motoroch sa do cievok statora zavádza periodicky sa meniaci prúd. Takýto prúd môžeme získať zo siete alebo vyrobiť elektronicky. Ak v jednotlivých cievkach statora sa prúd nestrieda v rovnakej fáze, vzniká rotujúce magnetické pole. Fázový posun sa zabezpečuje pomocou použitia jednoduchých kondenzátorov alebo zložitejšej regulačnej elektroniky. V rotore sa väčšinou nachádzajú permanentné magnety, ale aj v ňom môžu byť jednosmerné cievky napájané zvonku.
Magnet rotora sa snaží nasledovať rotujúce magnetické pole statora, preto sa točí spolu s ním.

Ak zaťažíme takýto typ elektromotora, v závislosti od zaťaženia rotor trochu zaostáva za rotujúcim magnetickým poľom statora, ale počet jeho otáčok zostáva rovnaký. Synchrónne motory môžu teda fungovať iba pri počte otáčok zodpovedajúcim frekvencii prúdu, ktorý ich poháňa. Pri príliš veľkom zaťažení však môžu vypadnúť zo synchronizácie a motor sa môže zastaviť. Aj pri štarte je potrebné také riešenie, ktoré pomáha naštartovať tieto motory, väčšina z nich štartuje ako indukčný motor a až po dosiahnutí synchronizačnej rýchlosti prepnú do synchrónneho režimu.

Počas jazdy vozidiel frekvencia striedavého prúdu, ktorý napája synchrónny motor, sa elektronicky reguluje podľa želanej rýchlosti vozidla. Nakoľko v moderných elektrických vozidlách striedavý prúd vyrába z jednosmerného prúdu elektronický obvod, môžeme ich považovať za jednosmerné motory. Nazývajú sa bezkefovými jednosmernými motormi, respektíve BLDC motormi, čo je skratkou anglického pomenovania brushless DC motor.

V porovnaní s jednosmernými motormi výhodou synchrónnych motorov s rotorom, v ktorom je permanentný magnet je to, že nepotrebujú pohyblivý kontakt (kefu), takže neobsahujú súčiastku, ktorá by sa opotrebovávala a nevytvárajú takmer žiadny hluk.

Striedavý asynchrónny motor

Striedavý asynchrónny motor je založený na jave indukcie, takže sa nazýva aj indukčným motorom.
Aj tento motor je zložený z dvoch častí: zo statora a rotora. Stator pozostáva z niekoľkých cievok, do nich sa zavádza striedavý prúd. Rotor môže byť aj jednoduchý kovový valec, ale zvyčajne aj v rotore nájdeme cievku nakrátko, čiže nezavádzame do nej prúd zvonku.

Princíp fungovania asynchrónneho motora je nasledovný:
1) V cievkach statora striedavý prúd nepreteká v rovnakej fáze, a tak okolo cievok vzniká rotujúce magnetické pole.
2) Toto rotujúce magnetické pole indukuje v rotore elektrický prúd.
3) Tento indukovaný prúd znova vytvorí magnetické pole okolo rotora.
4) Tieto dva magnetické polia na seba vzájomne pôsobia, rotor sa preto pokúša otočiť podľa vonkajšieho magnetického poľa, ale nakoľko to rotuje, rotor ho nikdy nedostihne, takže jeho otáčanie bude stále.

Rotujúce magnetické pole sa vytvára iba vtedy, keď cievky statora nepracujú naraz, čiže keď pracujú v inej fáze. Ak motor je poháňaný viacfázovým prúdom, cievky statora musia byť pripojené na rôzne fázy, tak sa zabezpečí rotujúce magnetické pole.
Ak motor poháňa jednofázový prúd, fázový posun napájania vonkajších cievok zabezpečujú kondenzátory alebo (dnes už je to) elektronika.
Ak nemáme fázový posun, motor sa nenaštartuje, ale ak mu pomôžeme naštartovať, potom sa už bude točiť aj bez fázového posunu.
Fungovanie asynchrónnych motorov je menej komplikované ako synchrónnych, nakoľko tie sa pri záťaži nezastavia.

Lineárne motory

Obidva typy striedavých motorov majú aj lineárnu verziu: LIM (Linear Induction Motor) a LSM (Linear Synchronous Motor).
Výsledkom fungovania týchto motorov nie je rotačný pohyb, ale posuvný pohyb.
Princíp fungovania je úplne rovnaký, ako v prípade rotačných motorov, rozdiel je však v tom, že stator a rotor je usporiadaný pozdĺž priamky.
Ďalším rozdielom je to, že cievku zvyčajne obsahuje pohyblivá časť a nie magnetická alebo magnetizovateľná časť.

V prípade lineárnych motorov typu LIM sa do pohyblivého radu cievok zavádza viacfázový striedavý prúd, vplyvom ktorého sa vytvorí pohyblivé magnetické pole. To indukuje prúd v stacionárnych kovových koľajniciach a ich magnetické pole poháňa pohyblivú časť motora, ktorá obsahuje cievky.

V prípade lineárnych motorov typu LSM koľajnice musia byť po celej dĺžke vyložené magnetmi a striedavý prúd pretekajúci cievkami pohyblivej časti sa musí meniť podľa smeru pohybu, aby sa k ďalšiemu magnetu dostal vždy v správnej fáze. Toto je možné uskutočniť iba pomocou senzorov a regulačnej elektroniky.

Krokový motor

Krokový motor (stepper motor) je veľmi užitočný v takých zariadeniach, v prípade ktorých presne potrebujeme vedieť, že v akom uhle sa otočí motor vplyvom daného množstva prúdu.
Takéto motory pohybujú rukami robotov, súčiastkami kopírok a tlačiarní. Rotor krokových motorov sa skladá z permanentných magnetov a stator z elektromagnetov.
Kontrolná elektronika osobitne napája prúdom elektromagnety statora podľa želaného uhla.
Čím viac magnetov je zabudovaných do rotora a čím viac elektromagnetov do statora, tým menší bude uhol, v ktorom sa motor dokáže otočiť krok za krokom, čiže tým presnejšie vieme nastaviť želaný smer.
"Rozlíšenie" motora možno zvýšiť aj tak, že magnety rotora a takisto železné jadrá elektromagnetov statora budú ozubené. Rozlíšenie možno ďalej zvýšiť precíznou zmenou kontrolného prúdu zavádzaného do cievok.

Rozprávanie

Elektrické motory sú prítomné v mnohých oblastiach nášho každodenného života. Existuje niekoľko typov elektromotorov, ale každý elektromotor využíva magnetický efekt elektrického prúdu.
Ak vedením preteká prúd, okolo vedenia vzniká magnetické pole. Sila generovaného magnetického poľa závisí od intenzity prúdu pretekajúceho vedením a od vzdialenosti od vedenia.

Magnetické pole generované elektrickým prúdom môžeme zosilniť tak, že z vedenia vyformujeme cievku. Takýmto spôsobom zostavená cievka je elektromagnet, ktorý sa nachádza v každom elektromotore. Silu elektromagnetu a polohu jeho pólov možno regulovať prúdom, ktorý cez neho preteká.

Nielen elektrický prúd dokáže vytvoriť magnetické pole, ale aj magnetické pole vie indukovať elektrický prúd.
Tento jav sa nazýva elektromagnetickou indukciou. Indukovať prúd vie len meniace sa magnetické pole. Ak sa v okolí cievky zmení magnetické pole, v cievke sa indukuje elektrické napätie, vplyvom ktorého vzniká elektrický prúd.
Takto vzniknutý prúd tiež vytvára magnetické pole, a tak tieto dve magnetické polia môžu na seba vzájomne pôsobiť. Niektoré elektrické motory využívajú tento jav.

Elektromotory delíme na dva hlavné typy: jednosmerné a striedavé motory.
Jednosmerné motory sú poháňané jednosmerným prúdom. Ich stator je permanentný magnet a rotor je elektromagnet. Do rotujúcej cievky sa prúd zavádza cez uhlíkové kefy a komutátor. Vplyvom zavedeného prúdu sa cievka stáva magnetom. Snaží sa otočiť do smeru permanentného magnetu, ale pred nadobudnutím správneho smeru v komutátore sa vymenia póly a cievkou začne pretekať prúd v opačnom smere. Cievka bude preto odpudzovať póly magnetu a bude sa ďalej otáčať smerom k opačným pólom. To sa stále opakuje a takto sa zabezpečuje rotácia motora.

Druhú hlavnú skupinu elektromotorov tvoria striedavé motory, ktoré môžu byť synchrónne a asynchrónne. V synchrónnych motoroch sa do cievok statora zavádza periodicky sa meniace napätie, ktoré môžeme získať napríklad aj zo siete. Jednoduchý elektrický obvod zabezpečuje to, aby v jednotlivých cievkach statora sa prúd nestriedal v rovnakej fáze, vznikne tak rotujúce magnetické pole. Magnet rotora sa snaží nasledovať rotujúce magnetické pole statora, preto sa točí spolu s ním. Synchrónne motory môžu fungovať iba pri počte otáčok zodpovedajúcim frekvencii prúdu, ktorý ich poháňa. Pri príliš veľkom zaťažení však môžu vypadnúť zo synchronizácie a motor sa môže zastaviť. Aj pri štarte je potrebné také riešenie, ktoré pomáha naštartovať tieto motory. Tento problém sa v moderných elektrických vozidlách premosťuje tak, že elektronický obvod vyrába z jednosmerného prúdu striedavý prúd a senzory zabezpečujú to, aby cievky statora dostávali prúd vždy v správnej fáze, takže motor nemôže vypadnúť zo synchronizácie. Tieto motory môžeme považovať za jednosmerné motory a nazývajú sa bezkefovými jednosmernými motormi. V porovnaní s jednosmernými motormi výhodou synchrónnych motorov s rotorom, v ktorom je permanentný magnet je to, že nepotrebujú pohyblivý kontakt (kefu), takže neobsahujú súčiastku, ktorá by sa opotrebovávala a nevytvárajú takmer žiadny hluk.

Striedavý asynchrónny motor je založený na jave indukcie. Aj tento motor je zložený z dvoch častí: zo statora a rotora. Stator pozostáva z niekoľkých cievok, do nich sa zavádza striedavý prúd. Rotor môže byť aj jednoduchý kovový valec, ale zvyčajne aj v rotore nájdeme cievku, do ktorej nezavádzame prúd zvonku, elektrický prúd sa v nej objaví prostredníctvom indukcie.
V cievkach statora striedavý prúd nepreteká v rovnakej fáze, a tak okolo cievok vzniká rotujúce magnetické pole. Toto rotujúce magnetické pole indukuje v rotore elektrický prúd. Tento indukovaný prúd znova vytvorí magnetické pole okolo rotora. Tieto dva magnetické polia na seba vzájomne pôsobia, rotor sa preto pokúša otočiť podľa vonkajšieho magnetického poľa, ale nakoľko to rotuje, rotor ho nikdy nedostihne, takže jeho otáčanie bude stále.
Fungovanie asynchrónnych motorov je menej komplikované ako synchrónnych, nakoľko tie sa pri záťaži nezastavia.

Obidva typy striedavých motorov majú aj lineárnu verziu: LIM (Linear Induction Motor) a LSM (Linear Synchronous Motor). Výsledkom fungovania týchto motorov nie je rotačný pohyb, ale posuvný pohyb.
Princíp fungovania je úplne rovnaký, ako v prípade rotačných motorov, rozdiel je však v tom, že stator a rotor je usporiadaný pozdĺž priamky.

Krokový motor (stepper motor) je užitočný v takých zariadeniach, v prípade ktorých presne potrebujeme vedieť, že v akom uhle sa otočí motor vplyvom daného množstva prúdu.
Takéto motory pohybujú rukami robotov, súčiastkami kopírok a tlačiarní. Rotor krokových motorov sa skladá z permanentných magnetov a stator z elektromagnetov. Kontrolná elektronika osobitne napája prúdom elektromagnety statora podľa želaného uhla.

Súvisiace extra

Dynamo (pokročilé)

Dynamo transformuje mechanickú energiu na jednosmerný prúd.

Ako funguje atómová elektráreň

V tomto videu vám ukážeme, ako funguje atómová elektráreň s tlakovodnými reaktormi.

Kondenzátor

Kondenzátor elektrickú energiu uskladňuje v podobe elektrického náboja.

Odraz a lom svetla

Svetelný lúč sa na rozhraní dvoch prostredí s rôznymi indexmi lomu odráža a láme.

Nikola Tesla

Legendárny vynálezca, šialený vedec alebo najväčší génius? Zoznámte sa s Teslom, najvýznamnejším...

Edisonova žiarovka

Americký elektrotechnik Edison vynašiel žiarovku v roku 1879, ktorá zmenila náš...

Laboratórium Nikolu Teslu (Shoreham, USA)

Tento inžinier a vynálezca, ktorý sa venoval predovšetkým elektrotechnike, bol bezpochyby...

Generátor a elektromotor

Kým generátor premieňa mechanickú energiu na elektrickú energiu, elektromotor premieňa...

Added to your cart.