Elektromotory

První elektromotor zkonstruoval v roce 1828 Peter Barlow, v letech 1834 až 1838 Moritz Hermann Jakobi zlepšil elektromotor na stejnosměrný proud tak, že mohl pohánět člun na řece Něvě. Jako zdroj použil sadu 320 galvanických článků. Kvůli vysoké ceně baterií musel s pokusy přestat.

Elektromotory jsou stroje, které přeměňují elektrickou energii na energii mechanickou. Jejich účinnost se pohybuje mezi 75 – 90 %. Energie se ztrácí na Jouleovo teplo, Foucaultovými proudy, hysterezí, jiskřením apod. Každý elektromotor se skládá z nepohyblivé části zvané stator a z pohyblivé části zvané rotor, neboli kotva, která se otáčí uvnitř statoru. Průchodem elektrického proudu vinutím statoru a vinutím rotoru se vytváří dvě magnetická pole, která na sebe vzájemně působí přitažlivými a odpudivými silami tak, že se rotor otáčí. Elektromotory můžeme rozdělit

Stejnosměrné elektromotory

Stejnosměrné elektromotory pracují opačně než dynama. Každé dynamo může pracovat jako motor na stejnosměrný proud a naopak každý stejnosměrný elektromotor může pracovat jako dynamo na výrobu stejnosměrného proudu. Konstrukčně se od sebe liší jen nepatrně.

Stator tvoří dva elektromagnety, které jsou napájeny stejnosměrným proudem tak, že na protilehlých nástavcích vznikne severní a jižní magnetický pól. Rotor elektromotoru, který má stejný tvar jako rotor dynama, tvoří válec ze železných plechů, na jeho povrchu jsou žlábky a v nich jsou uložena jednotlivá vinutí. Tato vinutí jsou vyvedena na komutátor složený z navzájem izolovaných lamel a k nim přiléhají kartáčky. Připojíme–li kartáčky na zdroj stejnosměrného proudu, pak proud prochází vždy jen jediným vinutím připojeným k příslušné lamele. Průchodem proudu vznikne kolem vinutí magnetické pole. Rotor se začne otáčet ve směru šipky, při pootočení se kartáčky dotknou sousedních lamel, proud pak bude protékat dalším vinutím a tento děj se bude neustále opakovat a rotor se bude točit tak dlouho, dokud přívod proudu nepřerušíme.

Stejnosměrný elektromotor.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Podle způsobu zapojení vinutí statoru a rotoru rozeznáváme stejnosměrný sériový motor (vinutí statoru a rotoru je zapojeno do série) a stejnosměrný derivační motor (vinutí statoru a rotoru je zapojeno paralelně). Důležitou vlastností sériového stejnosměrného elektromotoru je, že mění své otáčky podle zatížení, přičemž čím menší má motor otáčky, tím větší má výkon. Proto se tyto motory používají tam, kde je potřeba velké tažné síly při rozběhu, příkladem můžou být tramvaje, elektrické lokomotivy, výtahy, jeřáby apod. Na rozdíl od sériového stejnosměrného elektromotoru, tak derivační stejnosměrný motor své otáčky s rostoucím zatížením téměř nemění. Používají se proto k pohonu takových zařízení, u nichž požadujeme pokud možno stálou rychlost otáčení i při změně zátěže. Jsou to například obráběcí stroje, čerpadla, textilní stroje apod.

Střídavé elektromotory

Stator tvoří tři elektromagnety, které jsou navzájem posunuty o 120°. Každým vinutím elektromagnetu protéká proud vždy jen jedné fáze třífázového proudu. Jestliže do prostoru mezi elektromagnety vložíme magnetku, magnetka se bude otáčet.

Tři střídavé proudy.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Magnetka se otáčí se stejnou frekvencí, jako je frekvence střídavého proudu. Motory založené na tomto principu nazýváme synchronní. Konstrukčně jsou stejné jako alternátory. Každý synchronní alternátor může pracovat jako synchronní motor a naopak. Vinutí statoru je napájeno střídavým proudem, vinutí rotoru je napájeno stejnosměrným proudem, který získáváme ze zvláštního derivačního dynama. Otáčky synchronního motoru jsou stálé a nekolísají při zatížení. Nevýhodou tohoto elektromotoru je, že při větším zatížení se pohyb magnetky zastaví, protože magnetická síla je neustále stejná, tj. nezvětšuje se. Výhodou je dobrá účinnost a přesnost otáček daných frekvencí střídavého proudu. Používají se např. k pohonu čerpadel, kompresorů, důlních ventilátorů, brusek, v přečerpávacích elektrárnách, kde pracují buď jako synchronní motory (k čerpání vody) nebo jako alternátory (k výrobě střídavého třífázového proudu).

Asynchronní elektromotor patří mezi nejpoužívanější motory. Velkým rozdílem oproti stejnosměrným i synchronním motorům je, že se do rotoru nepřivádí žádný proud a střídavý proud prochází jen vinutím statoru. Stator má tvar dutého válce složeného ze speciálních plechů silných přibližně 0,5 mm, které jsou navzájem izolovány lakem nebo papírem. V drážkách rozmístěných po obvodu statoru je uloženo trojí vinutí z izolovaných měděných nebo hliníkových vodičů, jimiž protéká třífázový střídavý proud. Rotor je složen ze stejných plechů a má tvar plného válce. Na jeho povrchu jsou drážky a do nich se vkládá buď třífázové vinutí podobné vinutí statoru (asynchronní kroužkový motor) nebo se do drážek vkládají neizolované tyče z mědi, které jsou na obou koncích spojeny měděnými kruhy (asynchronní motor s kotvou na krátko). Vinutí připomíná klec a označuje se jako klecová kotva nebo také kotva nakrátko.

Točivé magnetické pole statoru indukuje ve vinutí kotvy značné proudy. Podle Lenzova zákona vznikají magnetické síly, které působí na vodiče kotvy a kotva se roztočí ve směru otáčení magnetického pole. Rotor se však nemůže otáčet se stejnou frekvencí jako pole. Říkáme, že má určitý skluz. Se vzrůstající rychlostí rotoru se však bude rozdíl mezi otáčkami rotoru a točivého magnetického pole postupně snižovat, tím se ovšem bude snižovat i rychlost protínání tyčí indukčními siločarami, tím se bude snižovat i indukovaný proud a silové účinky točivého magnetického pole a otáčky rotoru se od určitého okamžiku nebudou dále zvyšovat. Rotor neběží shodně s točivým magnetickým polem.

Hliník není feromagnetická látka, proto jeho otáčení nemůžeme vysvětlit obdobně jako otáčení magnetky. V točivém magnetickém poli se v hliníkovém válci indukují v různých jeho částech odlišná napětí. Válcem začnou procházet tzv. vířivé proudy, jež v točivém magnetickém poli vyvolají sílu, která válcem otáčí. Tato síla je tím větší, čím více se zpožďují otáčky motoru za otáčkami točivého magnetického pole. Z toho důvodu jde o asynchronní motor, tedy motor, který nemá synchronní otáčky. Jeho otáčky kolísají podle zatížení.

Záměnou dvou fázových vodičů ve svorkách motoru se změní směr otáčení točivého pole a motor se otáčí na opačnou stranu. Konstrukčními úpravami se asynchronní motory dají upravit na jednofázové asynchronní motory, které jsou vhodné pro menší spotřebiče, např. pračky.