Princip rada i uređaj elektromotora

Svaki električni motor je dizajniran za obavljanje mehaničkog rada zbog potrošnje električne energije koja se na njega primjenjuje, a koja se obično pretvara u rotacijsko gibanje. Iako u tehnologiji postoje modeli koji odmah stvaraju translatorno kretanje radnog tijela. Oni se nazivaju linearni motori.

U industrijskim postrojenjima elektromotori pokreću različite strojeve za rezanje metala i mehaničke uređaje koji sudjeluju u tehnološkom procesu proizvodnje.

Unutar kućanskih aparata, električni motori pokreću perilice rublja, usisavače, računala, sušila za kosu, dječje igračke, satove i mnoge druge uređaje.

Osnovni fizikalni procesi i princip djelovanja

Prilikom kretanja unutra magnetsko polje električni naboji, koji se nazivaju električne struje, uvijek imaju mehaničku silu koja nastoji skrenuti njihov smjer u ravnini okomitoj na orijentaciju linija magnetskog polja.Kada električna struja prolazi kroz metalnu žicu ili zavojnicu napravljenu od nje, ova sila teži pomicanju/rotaciji svake žice kroz koju teče struja i cijele zavojnice u cjelini.

Slika ispod prikazuje metalni okvir kroz koji teče struja. Magnetsko polje primijenjeno na njega stvara silu F za svaku granu okvira, što stvara rotacijsko gibanje.

Ovo svojstvo međudjelovanja električne i magnetske energije, koje se temelji na stvaranju elektromotorne sile u zatvorenoj vodljivoj petlji, provodi se na svakom elektromotoru. Njegov dizajn uključuje:

• zavojnica kroz koju teče električna struja. Postavljen je na posebnu jezgru sidra i fiksiran u rotacijskim ležajevima kako bi se smanjio otpor silama trenja. Ovaj dizajn naziva se rotor;

• stator, koji stvara magnetsko polje, koje svojim linijama sile probija električne naboje koji prolaze duž zavoja namota rotora;

• kućište za postavljanje statora. Unutar tijela izrađuju se posebna sjedala unutar kojih su montirani vanjski kavezi ležajeva rotora.

Pojednostavljeni dizajn najjednostavnijeg elektromotora može se prikazati slikom sljedećeg oblika.

Kada se rotor okreće, stvara se okretni moment čija snaga ovisi o općem dizajnu uređaja, količini primijenjene električne energije i njezinim gubicima tijekom pretvorbi.

Veličina najvećeg mogućeg zakretnog momenta motora uvijek je manja od električne energije koja se na njega dovodi. Karakterizira ga vrijednost učinkovitosti.

Vrste elektromotora

Prema vrsti struje koja teče kroz zavojnice, dijele se na istosmjerne i izmjenične motore.Svaka od ove dvije skupine ima veliki broj modifikacija različitim tehnološkim procesima.

DC motori

Imaju statorsko magnetsko polje stvoreno stacionarnim fiksnim stalni magneti ili posebni elektromagneti s uzbudnim zavojnicama. Armaturni svitak čvrsto je pričvršćen u osovinu koja je učvršćena u ležajevima i može se slobodno okretati oko vlastite osi.

Osnovna struktura takvog motora prikazana je na slici.

Na jezgri armature, izrađenoj od feromagnetskih materijala, nalazi se zavojnica koja se sastoji od dva serijski spojena dijela, koji su jednim krajem spojeni na provodne kolektorske ploče, a drugim međusobno. Dvije grafitne četkice nalaze se na dijametralno suprotnim krajevima armature i pritisnute su na kontaktne pločice kolektorskih ploča.

Pozitivan potencijal istosmjernog izvora primjenjuje se na donji kist s uzorkom, a negativan potencijal na gornji. Smjer struje koja teče kroz zavojnicu prikazan je isprekidanom crvenom strelicom.

Struja uzrokuje da magnetsko polje ima sjeverni pol u donjem lijevom kutu armature, a južni pol u gornjem desnom kutu armature (kardansko pravilo). To rezultira odbijanjem polova rotora od istoimenih stacionarnih i privlačenjem na suprotne polove statora. Kao rezultat primijenjene sile dolazi do rotacijskog gibanja čiji je smjer označen smeđom strelicom.

Daljnjom rotacijom armature po inerciji, polovi se prenose na druge kolektorske ploče. Smjer struje u njima je obrnut. Rotor se nastavlja okretati dalje.

Jednostavna konstrukcija takvog kolektorskog uređaja dovodi do velikih gubitaka električne energije.Takvi motori rade u uređajima jednostavnog dizajna ili igračkama za djecu.

Elektromotori istosmjerne struje uključeni u proizvodni proces imaju složeniji dizajn:

• zavojnica je podijeljena ne na dva, već na nekoliko dijelova;

• svaki dio zavojnice je postavljen na svoj stup;

• kolektorski uređaj se izrađuje s određenim brojem kontaktnih pločica prema broju namota.

Kao rezultat, stvara se glatka veza svakog pola preko njegovih kontaktnih ploča s četkicama i izvorom struje, a gubici energije su smanjeni.

Uređaj takvog sidra prikazan je na fotografiji.

Kod istosmjernih motora smjer vrtnje rotora može se obrnuti. Da biste to učinili, dovoljno je promijeniti kretanje struje u zavojnici na suprotno promjenom polariteta na izvoru.

AC motori

Razlikuju se od prethodnih dizajna po tome što je električna struja koja teče u njihovoj zavojnici opisana sinusoidni harmonijski zakonpovremeno mijenjajući svoj smjer (znak). Za njihovo napajanje napon se dovodi iz generatora s izmjeničnim znakovima.

Stator takvih motora izvodi se magnetskim krugom. Izrađen je od feromagnetskih ploča s utorima u koje su postavljeni zavoji zavojnice okvirne (zavojnice) konfiguracije.

Sinkroni elektromotori

Slika ispod prikazuje princip rada jednofaznog AC motora sa sinkronom rotacijom elektromagnetskih polja rotora i statora.

U utore magnetskog kruga statora na dijametralno suprotnim krajevima postavljene su žice za namatanje, shematski prikazane u obliku okvira kroz koji teče izmjenična struja.

Razmotrimo slučaj trenutka u vremenu koji odgovara prolazu pozitivnog dijela njegovog poluvala.

U ležajnim ćelijama slobodno se okreće rotor s ugrađenim permanentnim magnetom u kojem su jasno izraženi sjeverni «N ušće» i južni «S ušće» pola. Kada kroz namot statora teče pozitivan poluval struje, u njemu se stvara magnetsko polje s polovima «S st» i «N st».

Između magnetskih polja rotora i statora nastaju sile međudjelovanja (pri čemu se polovi odbijaju, a za razliku od polova privlače) koje nastoje okrenuti armaturu motora iz bilo kojeg položaja u krajnji kada su suprotni polovi smješteni što bliže jedan drugome još.

Ako razmotrimo isti slučaj, ali za trenutak u vremenu kada suprotni - negativni poluval struje prolazi kroz žicu okvira, tada će se rotacija armature dogoditi u suprotnom smjeru.

Kako bi se osiguralo kontinuirano kretanje rotora u statoru, ne izrađuje se jedan okvir namota, već određeni broj njih, s obzirom da se svaki od njih napaja zasebnim izvorom struje.

Princip rada trofaznog izmjeničnog motora sa sinkronom rotacijom, elektromagnetska polja rotora i statora prikazana su na sljedećoj slici.

U ovom dizajnu, tri zavojnice A, B i C su montirane unutar magnetskog kruga statora, međusobno pomaknute pod kutovima od 120 stupnjeva. Zavojnica A označena je žutom bojom, B je zelenom, a C crvenom bojom. Svaka zavojnica izrađena je s istim okvirima kao u prethodnom slučaju.

Na slici, u svakom slučaju, struja teče kroz samo jednu zavojnicu u smjeru naprijed ili nazad, što je označeno znakovima «+» i «-».

Kada pozitivni poluval prolazi kroz fazu A u smjeru naprijed, os polja rotora zauzima vodoravan položaj, jer se u ovoj ravnini formiraju magnetski polovi statora i privlače pomičnu armaturu. Suprotni polovi rotora nastoje se približiti polovima statora.

Kada pozitivni poluval prijeđe u fazu C, armatura će se okretati za 60 stupnjeva u smjeru kazaljke na satu. Nakon što se struja primijeni na fazu B, dogodit će se slična rotacija armature. Svaki sljedeći tok struje u sljedećoj fazi sljedećeg namota okretat će rotor.

Ako se na svaki namoti dovede trofazni mrežni napon pomaknut za kut od 120 stupnjeva, tada će u njima cirkulirati izmjenične struje koje će rotirati armaturu i stvoriti njezinu sinkronu rotaciju s primijenjenim elektromagnetskim poljem.

Isti mehanički dizajn uspješno se koristi u trofaznom koračnom motoru... Samo u svakom namotu kontrolom poseban upravljač (pokretač koračnog motora) Konstantni impulsi se primjenjuju i uklanjaju prema gore opisanom algoritmu.

Njihovim pokretanjem započinje rotacijsko kretanje, a završetkom u određenom trenutku osigurava se odmjerena rotacija osovine i zaustavljanje pod programiranim kutom za izvođenje određenih tehnoloških operacija.

U oba opisana trofazna sustava moguće je mijenjati smjer vrtnje armature. Da biste to učinili, samo trebate promijeniti slijed faza «A» — «B» — «C» u drugi, na primjer «A» — «C» — «B».

Brzina rotora regulirana je duljinom perioda T. Njeno smanjenje dovodi do ubrzanja vrtnje.Veličina amplitude struje u fazi ovisi o unutarnjem otporu namota i vrijednosti napona koji se na njega primjenjuje. Određuje količinu okretnog momenta i snagu elektromotora.

Asinkroni motori

Ovi dizajni motora imaju isti magnetski krug statora s namotima kao u prethodno razmatranim jednofaznim i trofaznim modelima. Ime su dobili po asinkronoj rotaciji elektromagnetskih polja armature i statora. To se postiže poboljšanjem konfiguracije rotora.

Jezgra mu je izrađena od užljebljenih ploča elektrotehničkog čelika. Opremljeni su aluminijskim ili bakrenim strujnim vodičima, koji su na krajevima armature zatvoreni vodljivim prstenovima.

Pri dovođenju napona na namote statora elektromotornom silom inducira se električna struja u namotu rotora i stvara se magnetsko polje armature. Kada ova elektromagnetska polja međusobno djeluju, osovina motora se počinje okretati.

Ovakvim dizajnom kretanje rotora moguće je tek nakon pojave rotirajućeg elektromagnetskog polja u statoru, te nastavlja s njim u asinkronom načinu rada.

Asinkroni motori su jednostavnijeg dizajna, stoga su jeftiniji i imaju široku primjenu u industrijskim instalacijama i kućanskim aparatima.

ABB električni motor otporan na eksploziju

Linearni motori

Mnoga radna tijela industrijskih mehanizama vrše klipno ili translatorno kretanje u jednoj ravnini, što je potrebno za rad strojeva za obradu metala, vozila, udarce čekića pri zabijanju pilota ...

Pomicanje takvog radnog tijela pomoću mjenjača, kugličnih vijaka, remenskih pogona i sličnih mehaničkih uređaja iz rotacijskog elektromotora komplicira dizajn. Suvremeno tehničko rješenje ovog problema je rad linearnog elektromotora.

Njegov stator i rotor izduženi su u obliku traka, a ne namotani u prstenove, kao kod rotacijskih elektromotora.

Načelo rada je priopćavanje recipročnog linearnog gibanja rotoru trkača zbog prijenosa elektromagnetske energije iz stacionarnog statora s otvorenim magnetskim krugom određene duljine. Unutar njega se stvara radno magnetsko polje sekvencijskim uključivanjem struje.

Djeluje na namot armature s kolektorom. Sile koje nastaju u takvom motoru pomiču rotor samo u linearnom smjeru duž elemenata za vođenje.

Linearni motori dizajnirani su za rad na istosmjernu ili izmjeničnu struju i mogu raditi u sinkronom ili asinkronom načinu rada.

Nedostaci linearnih motora su:

• složenost tehnologije;

• visoka cijena;

• niska energetska učinkovitost.