Jak se rotor otáčí?

Nejúčinnějším zařízením, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou, je asynchronní motor, vynalezený inženýrem Dolivo-Dobrovolským na konci 19. století. S ohledem na rostoucí zájem současníků o vývoj a montáž obráběcích strojů, samojízd a dalších mechanismů se pokusíme vysvětlit, jak funguje asynchronní elektromotor, abyste pochopili princip jeho činnosti a efektivně jej používali.

Zařízení asynchronního motoru

Jeho design obsahuje následující prvky:

• Válcový stator, sestavené z ocelových plechů. Jádro statoru má štěrbiny, ve kterých jsou umístěna vinutí. Jejich osy jsou vůči sobě posunuty o 120 stupňů.
• Rotor (zkrat nebo fáze). První možností je jádro s hliníkovými tyčemi zkratovanými koncovými kroužky (klec na veverku). Druhou variantu tvoří třífázové vinutí, nejčastěji zapojené do hvězdy.
• Konstrukční detaily – hřídel, ložiska, tlapky, ložiskové štíty, oběžné kolo a skříň ventilátoru, svorkovnice – zajišťující otáčení, chlazení a ochranu mechanismu.

Schéma asynchronního motoru s uvedením jeho detailů lze snadno najít na internetu nebo v manuálech.

Princip činnosti asynchronního motoru

Princip činnosti asynchronního elektromotoru je naznačen již v jeho názvu (nesynchronní). To znamená, že stator a rotor, když jsou zapnuté, vytvářejí magnetická pole rotující na různých frekvencích. V tomto případě je frekvence otáčení magnetického pole rotoru vždy menší než frekvence otáčení magnetického pole statoru.

Chcete-li si tento proces jasněji představit, vezměte permanentní magnet a roztočte jej kolem své osy poblíž měděného disku. Disk se s mírným zpožděním začne otáčet po magnetu. Faktem je, že když se magnet otáčí ve struktuře disku, jsou excitovány Foucaultovy proudy (indukční proudy), pohybující se v uzavřeném kruhu. V podstatě jsou to zkratové proudy, které zahřívají kov. V disku se „vynoří“ jeho vlastní magnetické pole, které následně interaguje s polem magnetu.

Asynchronní motor využívá vinutí statoru k vytvoření točivého pole. Jimi tvořený magnetický tok vytváří EMF ve vodičích rotoru. Při interakci magnetického pole statoru s indukovaným proudem ve vinutí rotoru vzniká elektromagnetická síla, která způsobuje otáčení hřídele motoru.

Postup krok za krokem je následující:

1. Při nastartování motoru se magnetické pole statoru protíná s obvodem rotoru a indukuje elektromotorickou sílu.
2. Ve zkratovaném rotoru vzniká střídavý proud.
3. Dvě magnetická pole (stator a rotor) vytvářejí krouticí moment.
4. Spřádací rotor se snaží „dohnat“ pole statoru.
5. V okamžiku, kdy se frekvence otáčení magnetického pole statoru a rotoru shodují, elektromagnetické procesy v rotoru slábnou a točivý moment se stává nulovým.
6. Magnetické pole statoru vybudí obvod rotoru, který se v tomto okamžiku opět zpozdí.

To znamená, že rotor je vždy pomalejší než magnetické pole statoru, což zajišťuje asynchronii.

Vzhledem k tomu, že rotorový proud je indukován bezkontaktně, nejsou potřeba kluzné kontakty, díky čemuž jsou indukční motory spolehlivější a účinnější. Změnou směru proudu v jednom z vinutí (k tomu je třeba změnit fáze na svorkách), můžete „přinutit“ motor otáčet se jedním nebo druhým směrem.

Směr elektromagnetické síly lze snadno určit zapamatováním školního kurzu fyziky a pomocí „pravidla levé ruky“.

Frekvence rotace magnetického pole statoru je ovlivněna frekvencí napájecí sítě a počtem pólových párů. Protože počet pólových párů závisí na typu motoru a zůstává konstantní, pokud chcete změnit rychlost pole, musíte změnit napájecí frekvenci pomocí měniče.

Výhody asynchronních motorů

Vzhledem k tomu, že konstrukce a princip činnosti asynchronního elektromotoru jsou poměrně jednoduché, má mnoho výhod a je široce používán ve všech oblastech národního hospodářství a v každodenním životě. Motory tohoto typu se vyznačují:

• Spolehlivost a životnost. Absence kontaktu mezi pohyblivými a stacionárními částmi minimalizuje možnost opotřebení a poškození.
• Nízká cena. Jsou dostupné (ne nadarmo je 90 % všech motorů vyrobených na světě asynchronních).
• Snadné použití. K jejich použití není nutné mít speciální znalosti a dovednosti.
• Všestrannost. Mohou být instalovány na téměř jakékoli zařízení.

Vynález asynchronního elektromotoru byl významným přínosem pro rozvoj vědy, průmyslu a zemědělství. S ním se náš život stal pohodlnějším.

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