Kartáčované a bezkartáčové stejnosměrné elektromotory. Struktura a princip činnosti

Je těžké si představit moderní výrobu bez různých zařízení a bez elektromotorů, které ji pohánějí. Správný chod elektromotoru je zárukou kvalitního výrobního procesu v jakémkoli průmyslovém odvětví.

Konstrukce stejnosměrného motoru je taková, že může pracovat pouze na stejnosměrný proud. Tento typ elektromotorů se dělí na motory s kolektorem a bez kolektoru.

Kolektorový motor

Tento motor má kolektor, rotor, induktor, stator, kotvu, kartáče. Rotor se otáčí, na rozdíl od statoru, který je stacionární. Součástí kolektorového zařízení je induktor, který vytváří magnetický tok a organizuje čas, kdy dojde k buzení motoru. Induktor má vinutí nebo magnety. Součástí komutátorového motoru je i kotva. Součástí zařízení je dvojice kartáčů. Elektrický proud ze zdroje proudí přes kartáče na kotvu. Jsou vyrobeny z grafitu, i když lze použít i jiné materiály. Stejnosměrné kartáčové motory mají obvykle dva kartáče, ale mohou existovat výjimky, kdy je použito více párů. Jeden kartáč je připojen na kladnou svorku zdroje a druhý na zápornou svorku. Komutátor je část motoru, která se přímo dotýká dvojice kartáčů – společně rozvádějí elektrický proud do cívek vinutí kotvy.

Elektromotory s permanentními magnety mají relativně nízkou cenu a používají se v mnoha průmyslových oblastech, protože mají široký rozsah výkonu, od setin wattu až po desítky megawattů. Velký rozsah má také frekvence otáčení.

Elektromotor s permanentním magnetem se používá v domácích spotřebičích a často se instaluje do dětských hraček.

Kolektorové elektromotory se používají tam, kde je vyžadována vysoká rychlost pracovních prvků: vysavače, mixéry atd.

Bezkartáčový motor

Tento typ motoru se objevil na trhu poměrně nedávno. Nemají jednotku kolektor-kartáč – to je velká výhoda, protože takový motor nevytváří rádiové rušení.

Bezkomutátorový DC motor má vysokou účinnost – mnohem vyšší než jeho kartáčovaný protějšek. Současně je samotná konstrukce motoru mnohem jednodušší, protože nemá sestavu kartáče. Kromě toho mají bezkomutátorové motory velmi nízkou míru opotřebení.

Bezkomutátorové motory mají ložiska, což ovlivňuje jejich cenu – je poněkud vyšší než cena jejich kartáčovaných protějšků.

Bezkomutátorový stejnosměrný motor má samosynchronizaci. Jeho činnost je založena na principu frekvenční regulace – vzniká v důsledku řízení vektoru (směru) magnetického pole vytvářeného statorem, které je ovlivněno polohou rotoru.

Tento vliv je možný proto, že rotor není nic jiného než permanentní magnety, které vytvářejí konstantní magnetické pole, a induktor je umístěn na rotoru, tzn. v zóně vlivu pole. Vinutí kotvy je umístěno na statoru. V závislosti na poloze rotoru vzniká napětí, které napájí vinutí motoru. Regulátor řídí proud pomocí pulzně šířkové modulace, která protéká vinutím motoru.

Chcete ušetřit čas?

Svěřte výběr produktů profesionálům

Specialisté Kabel.RF® vědí o tomto produktu vše a kompetentně vám poradí s výběrem s ohledem na technické požadavky a pomohou zajistit včasnou dodávku

Odeslat poptávku na výběr produktu

Pošlete žádost emailem

Odpovězte do 15 minut

Manažeři salonů TechnoLux při své práci neustále něco vyprávějí, ukazují a vysvětlují. Každý náš klient, který z obchodu odchází, má větší zásobu znalostí, než když do něj vstoupil. Úkolem našich konzultantů není jednoduše zahltit kupujícího novými informacemi jako učitel na ústavu, ale strukturovat informace, které již má, a očistit je od nepotřebných, nadbytečných a někdy prostě chybných nesmyslů, které do nich nacpali nějací „zlí blogeři“ na YouTube nebo neopatrní prodejci ve známých hypermarketech. A jedním z běžných problémů, se kterými se setkáváme, je nesprávná terminologie, pokud jde o motory. Zkušenosti ukazují, že drtivá většina kupujících má v hlavě pořádnou změť různých chytrých slov, která marketéři tak milují, ale často se tato slova ani nenacházejí ve stejném sémantickém poli.

Dnes jsme se rozhodli toto téma trochu rozšířit. Rádi bychom vás hned upozornili, že pokud jste, milí čtenáři, elektroinženýři nebo jste složili zkoušku z elektromechaniky na vysoké škole s výborným prospěchem, pak vám bude velká část tohoto článku připadat nepřesná nebo nevědecká. Naším cílem však není připravit čtenáře na test, ale pokusit se jednoduchými slovy vyprávět o různých typech motorů, aby měl představu o tom, co se v nich liší a jak mu tento rozdíl může být užitečný.

Nejprve si definujme, co je elektromotor? Jedná se o zařízení určené k přeměně elektrické energie na mechanickou energii. Podle typu vytvářeného mechanického pohybu se elektromotory dělí na rotační, lineární atd. Elektromotor je nejčastěji chápán jako rotační elektromotor, protože je nejpoužívanější. A v této poznámce budeme přesně tento pojem chápat pod pojmem „motor“.

Nyní si popišme dvě hlavní části libovolného motoru. Toto je rotor a stator. Dílů je samozřejmě více, ale pouze tyto dva jsou základní a neměnné. Část, která se otáčí, se nazývá rotor (z latinského rota – “kolo”, roto – “rotuji”). A ta část, která se netočí, tedy stojí na místě, se nazývá stator (z latinského sto – stojím). Většina elektromotorů má rotor umístěný uvnitř statoru. Motory s rotorem na vnější straně se nazývají motory s obráceným rotorem.

Podobný konstrukční princip mají i statory střídavých elektromotorů (řekněme si o nich nejdříve). Proudové vodiče vyrobené z mědi nebo hliníku, nazývané vinutí, jsou umístěny ve speciálních drážkách (axiálních drážkách). Funkcí statoru je vytvářet rotující magnetické pole. Rotující magnetické pole je potřeba k přenášení rotoru spolu s jeho rotací. V tomto případě může být rotor buď permanentní magnet, nebo elektromagnet s vlastním budicím vinutím, nebo soustava vodičů nezapojených do vnějšího elektrického obvodu (kvůli podobnosti nazývaná také „klec na veverku“).

Pokud je rotor magnetem nebo má vinutí, které jej mění na elektromagnet, pak vytváří konstantní magnetické pole. Když se druhé magnetické pole vytvořené statorem otáčí, magnetické pole rotoru jej následuje: severní pól pole rotoru je přitahován k jižnímu pólu pole statoru. Rychlost otáčení rotoru bude rovna rychlosti otáčení magnetického pole statoru. Rovný znamená synchronní. Proto se takové motory nazývají synchronní. Pokud se rychlost otáčení rotoru liší od rychlosti otáčení magnetického pole statoru, pak lze říci, že s ním není synchronní, nebo asynchronní. Takové motory, jak asi tušíte, se nazývají asynchronní.

V jakém případě se rychlost rotoru nebude rovnat rychlosti rotace pole statoru? V případě, kdy rotor nemá vlastní magnetické pole. Takový rotor se skládá ze sady vodivých desek, které nejsou spojeny navzájem ani s vnějším obvodem. Rotující magnetické pole statoru vytváří EMF (elektromotorickou sílu), která při křížení vodičů rotoru v nich indukuje elektrický proud. „Indukce“ v latině zní jako „inductio“, proto se takové asynchronní motory také nazývají indukční motory. V důsledku tohoto vedení se vytvoří krouticí moment a rotor se začne otáčet. Jeho rychlost otáčení bude vždy nižší než rychlost otáčení magnetického pole statoru, jinak siločáry tohoto pole nebudou křížit vodiče rotoru a nevytvoří zde proud, který nedovolí jeho rotaci.

Tím jsme se dostali k prvnímu rozdělení typů motorů podle rychlosti otáčení jejich rotoru: synchronní a asynchronní. Každý z těchto typů má samozřejmě své výhody. Synchronní modely mají větší spolehlivost a vyšší účinnost, snadno se udržují a frekvence jejich otáčení nezávisí na použité zátěži (do určité hranice). Mezi nevýhody synchronních motorů patří obtížnost startování motoru – nízký startovací moment neumožňuje rychlé dosažení provozních otáček a často vyžaduje přídavné zařízení pro „roztočení“ motoru. Zvláštností synchronních elektromotorů je jejich konstantní rychlost otáčení, která se velmi obtížně mění. Proto v těch zařízeních, kde je potřeba regulovat frekvenci (v případě domácích spotřebičů jsou to např. pračky a digestoře), se používají asynchronní motory. Mají také své výhody: nízká spotřeba energie, jednoduchý design, provoz v domácích spotřebičích pomocí jednofázového připojení. Jejich hlavní nevýhodou jsou vysoké tepelné ztráty a obtížnost seřízení.

Aby se magnetické pole ve statoru motoru otáčelo, musí být motor připojen ke střídavému proudu. Naše síť má naštěstí přesně tento druh proudu. Ale provoz synchronního elektromotoru je založen na interakci točivého magnetického pole statoru a konstantního magnetického pole rotoru, takže rotor vyžaduje zdroj stejnosměrného proudu, který je k němu přiváděn přes speciální kontaktní kroužky na hřídeli pomocí speciálních kartáčů, obvykle vyrobených z grafitu. Ale síť má střídavý proud, tak co máme dělat?

K vyřešení tohoto problému musí konstrukce motoru obsahovat stejnosměrný generátor. Zařízení, které přeměňuje střídavý proud na stejnosměrný, se nazývá usměrňovač. Ve skutečnosti je takový usměrňovač přítomen v každém nám známém zařízení, protože všechny pracují na stejnosměrném proudu. Ano, ano! Výhodou střídavého proudu je, že jej lze přenášet na velké vzdálenosti s mnohem menšími ztrátami „po cestě“, na rozdíl od stejnosměrného proudu. Co se však týče stejnosměrného napájení, stejnosměrný je na tom mnohem lépe. Naprostá většina elektrospotřebičů má proto ve své konstrukci usměrňovače.

Vraťme se k asynchronnímu motoru. Jeho hlavní vlastností je schopnost plynule upravovat otáčky rotoru. Rychlost otáčení rotoru přímo souvisí s rychlostí otáčení magnetického pole statoru. Rychlost tohoto pole je možné měnit zvýšením frekvence proudu a jeho napětí. Zařízení, které je schopno produkovat výstupní střídavé napětí dané frekvence, se nazývá tyristorový frekvenční měnič. Lépe ho však známe pod slovem „invertor“, které, musíte uznat, zní mnohem lépe než kombinace písmen „TPC“. Proto můžete od výrobců a prodejců často slyšet slovní spojení „invertorový motor“, což je v podstatě krásný název pro jakýkoli asynchronní střídavý motor s nastavitelnou rychlostí rotoru.

Obrázek ukazuje schematický diagram činnosti tyristoru. V usměrňovači (R) je vstupní střídavé napětí usměrněno a přiváděno do filtru (F), kde je vyhlazeno, filtrováno a následně opět měničem (I) převáděno na střídavé napětí, které lze regulovat parametry jako je amplituda a frekvence. Jejich hlavní předností je skutečnost, že tyristorové frekvenční měniče mají vysokou účinnost (až 98 %), dokážou se úspěšně vypořádat s vysokými napětími a proudy a také odolávat pulznímu efektu a poměrně dlouhé zátěži.

Kromě všeho výše uvedeného můžete na internetu nebo v obchodech slyšet slovní spojení „kolektorový motor“ nebo „kartáčový motor“. Nejčastěji takové fráze zní v negativním, pohrdavém tónu. Co je to za motor a v čem je horší než bezkomutátorový motor?

Elektromotor komutátoru je motor, ve kterém je ke komutátoru připojeno alespoň jedno z vinutí zapojených do procesu hlavní přeměny energie. Komutátor je část motoru, která přichází do kontaktu s kartáči. Pomocí kartáčů a komutátoru je elektrický proud distribuován mezi cívky vinutí kotvy. Kotva je část stejnosměrného komutátorového stroje nebo synchronního stroje, ve které se indukuje elektromotorická síla a protéká zatěžovací proud. Jako kotva může fungovat buď rotor nebo stator. Kartáče jsou zase součástí elektrického obvodu, kterým je elektrický proud přenášen ze zdroje energie do kotvy. Kartáče jsou vyrobeny z grafitu nebo jiných materiálů. Stejnosměrný motor obsahuje jeden nebo více párů kartáčů. Jeden ze dvou kartáčů je připojen ke kladné svorce zdroje energie a druhý k záporné svorce. Ve skutečnosti je přítomnost kolektorové jednotky tím, co odlišuje stejnosměrný motor od střídavého motoru. A stejný bod je důvodem nižší spolehlivosti kolektorových motorů – kartáče se mohou rychle opotřebovat. Navíc produkují další hluk a účinnost kartáčovaného motoru je vždy nižší než účinnost asynchronního motoru. A přestože je výroba kolektorového motoru levnější, má lepší odezvu na změny napětí (a proto je docela vhodný pro plynulou regulaci rychlosti otáčení) a při nízkých otáčkách má vysoký kroutící moment, asynchronní motory postupně vytlačují kolektorové motory z trhu domácích spotřebičů kvůli větší spolehlivosti, nižším nákladům na energii (díky vyšší účinnosti: 80-90 % oproti 55-65 % u kolektorů).

Komutátorové motory jsou vždy stejnosměrné motory. Ale ne všechny stejnosměrné motory jsou komutátorové motory. Existují takzvané BLDC motory, což je zkratka pro Brushless DC elektromotor. Říká se jim také ventilové motory. V tomto typu motoru nejsou žádné kartáče. Motor se skládá z rotoru s permanentním magnetem rotujícího v magnetickém poli statorových cívek, kterým protéká proud, spínaný klíči (ventily) ovládanými mikrokontrolérem. Mikrokontrolér přepíná cívky tak, že interakce jejich pole s polem rotoru vytváří točivý moment v jakékoli poloze. Takové motory jsou dražší, ale umožňují extrémně přesné řízení nejen rychlosti otáčení, ale také aktuální polohy rotoru.

Abychom shrnuli vše výše uvedené, podotýkáme, že motory se mohou lišit ve zdroji energie (AC a DC), rychlosti rotoru (synchronní a asynchronní), přítomnosti kolektorové jednotky (kolektorové a bezkomutátorové), přítomnosti kartáčů (ne každý bezkomutátorový motor je bezkomutátorový, ale každý bezkomutátorový motor je bezkomutátorový). Klasifikací je samozřejmě mnohem více, ale smyslem článku bylo popsat základní pojmy používané v oblasti domácích spotřebičů.

Ano, mimochodem, existuje také motor s přímým pohonem. Mnoho prodejců je často zmateno, nazývají to invertor nebo jako invertorový motor považují pouze motor s přímým pohonem. Pojďme si to tedy vysvětlit. Typ pohonu nijak nevyplývá z typu motoru. Pohon je způsob, kterým motor přenáší rotaci rotoru na další části zařízení. Pokud se rotace přenáší přes napnutý řemen, pak bude pohon řemenový (u naprosté většiny výrobců). A pokud je rotační prvek přímo namontován na ose rotoru, pak se pohon nazývá přímý. Účelem tohoto článku není zkoumat, který pohon je lepší, proto se zastavíme u toho.

A jako vždy vás rádi uvidíme v našich showroomech, kde vám manažeři budou moci říci o nuancích domácích spotřebičů ještě podrobněji!

+ 7 (812) 382 00 20

denně od 10:00 do 21:00