Typy elektromotorů a jejich vlastnosti
Elektromotory převádějí elektrickou energii na mechanickou energii. Jsou založeny na principu elektromagnetické indukce. Mohou být použity v různých aplikacích, například jako řešení pohonu v průmyslových strojích.
Typy elektromotorů
Existují různé typy elektromotorů, z nichž každý má různé funkce a vlastnosti. Typy v současnosti používaných elektromotorů se dělí na stejnosměrné a střídavé. U střídavých motorů se rozlišuje mezi synchronním a indukčním motorem.
Konstrukce elektromotorů je obvykle následující:
- Stator: Stator je elektrický nebo permanentní magnet, který je trvale, např. pevně, připojen ke skříni motoru.
- Rotor: Rotor je elektromagnet, který se nachází mezi póly statoru na ose motoru. V závislosti na konstrukci se rozlišuje mezi rotačními motory (rotační osa motoru) a lineárními motory (posuvná osa).
- Komutátor (pólový invertor): Komutátor se skládá ze dvou nebo více segmentů kluzného kroužku, vzájemně izolovaného, skrze který je do rotoru přiváděn proud. Dva posuvné kontakty, které jsou připojeny ke zdroji napájení, na něj zatlačte zvenčí.
- 1 – Rotor
- 2 – Kartáč
- 3 – Cívka
- 4 – Vzduchová mezera
- 5 – Permanentní magnet
K ovládání elektromotorů se používají různé metody řízení s otevřenou smyčkou a/nebo uzavřenou smyčkou. Běžné metody zahrnují modulaci šířky pulzu (PWM), přímé řízení napětí nebo regulaci orientovanou na pole.
Stejnosměrné motory (DC motory)
Stejnosměrné motory pracují v konstantním směru proudu a generují krouticí moment. Jsou užitečné v aplikacích, které vyžadují přesné řízení otáček a krouticího momentu, jako jsou stroje s řízením CNC. Následující motory jsou příklady stejnosměrných motorů:
- Stejnosměrný motor s kartáči: Komutátor pracuje s kontakty, které jsou v kontaktu s pružinovým tlakem. Nazývají se například kartáče a jsou vyrobeny z uhlíku. Díky kartáčům lze výkon snadno regulovat provozním napětím.
- Stejnosměrný motor s kartáči: Místo mechanického komutátoru měří elektrický senzor úhel rotoru bezkartáčových motorů na stejnosměrných motorech.
- Převodový motor: Převodovka se používá ke snížení – nebo ve vzácných případech rovněž ke zvýšení – původní rychlosti otáčení na definovanou hodnotu.
- Krokový motor: Krokové motory jsou k dispozici jako rotační motory a jako lineární motory. Motory lze nastavit na malé polohovací kroky pomocí vysokého počtu párů pólů (zubů). Obvykle se ovládají rotačními nebo lineárními snímači polohy. Tyto motory jsou vhodné pro náročné polohovací práce, jako je 3D tisk Je třeba poznamenat, že přetěžování/nedostatek může vést k chybám kroku.
Výhody a nevýhody stejnosměrných motorů
Mezi výhody stejnosměrných motorů patří:
- Vysoký spouštěcí krouticí moment, díky kterému je vhodný pro náročné aplikace.
- Lze je přesně ovládat, čehož je dosaženo především rychlostí otáčení. Díky tomu jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují přesné polohování a plynulý provoz.
- Velmi spolehlivé a jednoduché řízení krouticího momentu i při nízkých otáčkách.
- Reverzibilita: Směr otáčení lze snadno změnit převrácením aktuálního směru.
- K dispozici je široký rozsah otáček.
- Bezkartáčové stejnosměrné motory jsou odolné, nevyžadují údržbu a jsou tišší
Nevýhody jsou:
- Použití kartáčů vede k častým kontrolám, obvykle každé tři měsíce, což vede k vyšším nákladům na údržbu.
- Citlivost na nepříznivé podmínky prostředí: Relativně otevřený design usnadňuje pronikání prachu a nečistot.
- Nákup je často drahý, zejména u bezkartáčových stejnosměrných motorů, protože vyžadují složitější ovládání než jednoduché ovládání kartáče.
Střídavé motory
U střídavých proudových motorů se napětí pravidelně mění v důsledku konstantních změn směru proudu. Rychlost otáčení motoru se určuje podle síťové frekvence a počtu pólů. K dispozici jsou jednofázové a třífázové střídavé motory. Jednofázové střídavé motory se většinou používají v menších strojích a domácích spotřebičích, zatímco třífázové střídavé motory se používají hlavně v průmyslových aplikacích kvůli jejich vyššímu jmenovitému výkonu a účinnosti. Následující motory jsou příklady střídavých motorů:
- Indukční motor: Rychlost otáčení motoru není přesně synchronizována s frekvencí připojeného střídavého proudu. Tento rozdíl umožňuje otáčení rotoru. Často pracují s třífázovým střídavým proudem, který se široce používá v průmyslu, a proto je indukční motor jedním z nejčastěji používaných motorů. Indukční motory lze rozdělit na jednofázové a třífázové.
- Synchronní motor: Rychlost rotoru je synchronní s otáčejícím se magnetickým polem statoru. Výsledkem je vysoká přesnost a konstantní rychlost otáčení, což je důležité například pro obráběcí stroje. Synchronní motory lze rozdělit na jednofázové a třífázové.
Servomotory:
Servomotor může být stejnosměrný, asynchronní nebo synchronní motor. Tyto motory mají servoměnič a obvykle svou vlastní řídicí elektroniku. Servopohon je elektronický řídicí systém, který přesně a kontrolovaně polohuje motor a umožňuje změny otáček pro provádění přesných pohybů v různých aplikacích, jako je robotika, CNC stroje a automatizační systémy.
Výhody a nevýhody střídavých motorů
Mezi výhody střídavých motorů patří:
- Jsou odolnější a mají menší nároky na údržbu, pokud nejsou použity kartáče
- Uzavřená konstrukce má za následek menší pronikání nečistot
- Vyšší efektivita
- Vysoké rychlosti jsou možné
- Obecně jsou nákladově efektivnější
Nevýhodou je například vyšší hluk způsobený silnějšími vibracemi. Díky konstrukci lze rychlost otáčení řídit pouze změnou frekvence a/nebo ji lze ovládat v přírůstcích po přepnutí párů pólů. Pro přesné ovládání mohou být zapotřebí další součásti. Kromě toho nejsou střídavé motory vhodné pro mobilní aplikace, protože baterie dodávají stejnosměrné napětí (nebo je to možné pouze s dalšími komponenty, jako jsou měniče).
V závislosti na místních podmínkách a požadovaném použití lze použít širokou škálu konstrukcí elektromotorů, a proto MISUMI poskytuje širokou škálu motorů.
Principy provozu elektromotoru pomocí příkladu stejnosměrného motoru
Když elektrický proud protéká cívkou rotoru v stejnosměrném motoru, rotor se začne otáčet. Každé otočení způsobí, že komutátor změní polaritu, aby byl zajištěn nepřetržitý pohyb motoru. Jinak by se motor otáčel pouze do té doby, než severní pól rotoru dostane k jižnímu pólu statoru a v této poloze se zastaví. Motor s dvoupólovým rotorem se nespustí automaticky v každé poloze, proto se v elektromotorech často používají rotory se třemi nebo více póly. Princip je u lineárních motorů poněkud odlišný: Místo rotoru používá tato aplikace lineárně naváděný rotor (vozík) vybavený několika cívkami, které se pohybují podél přímé linie. Permanentní magnety se instalují v pravidelných intervalech. Cíleným řízením cívek se rotory pohybují pomocí magnetických polí na stejném principu činnosti jako u rotačního motoru. Regulované cívky mohou být umístěny na rotoru a rovněž na lineární dráze statoru v obráceném provedení.
Faktory charakterizující elektromotory
Vlastnosti motorů jsou zásadní pro jejich výkon a použití v různých technických a průmyslových oblastech.
Krouticí moment a rychlost
Krouticí moment motoru udává, jakou sílu může na hřídel vyvíjet. Rychlost otáčení se vztahuje k rychlosti, při které se pohybuje hřídel nebo člen rotoru lineárního motoru. Motory jsou navrženy pro různé krouticí momenty a rychlosti otáčení/rychlosti v závislosti na aplikaci. Rychlost charakteristik točivého momentu otáčení je důležitá pro dimenzování motoru. Představují poměr otáček k krouticímu momentu a mohou se někdy výrazně lišit u různých (elektrických) typů motorů a provozních bodů.
Hustota výkonu
Hustota výkonu elektromotorů označuje poměr mezi výkonem generovaným motorem a jeho velikostí nebo hmotností. Moderní elektromotory mohou mít vysokou hustotu výkonu, a tak mohou poskytovat velký výkon v kompaktním provedení. Hustota výkonu se obvykle měří ve wattech na kilogram (W/kg) nebo wattech na centimetr krychlový (W/cm3) v závislosti na tom, zda se zvažuje hmotnost nebo objem motoru.
Ovladatelnost
Řízení elektromotorů označuje schopnost určitým způsobem řídit nebo regulovat otáčky, točivý moment a další provozní parametry motoru. To je užitečné zejména v aplikacích, které vyžadují přesné ovládání.
- Rychlost otáčení: Regulací otáček lze motor přizpůsobit různým požadavkům na otáčky.
- Krouticí moment: Řízení krouticího momentu je užitečné například pro variabilní zátěže. Elektromotory lze ovládat tak, aby poskytovaly točivý moment potřebný k pohybu nebo překonání zátěže.
- Směr: Změnou směru proudu nebo použitím speciálních obvodů lze motor přizpůsobit pro aplikace závislé na směru. Patří mezi ně například hnací motory v dopravníkových pásech nebo výtahech.
- Umístění a přesnost: Přesné polohování a řízení jsou rozhodující například pro CNC stroje. Zde se často používají krokové motory nebo servomotory.
Abychom mohli bezpečně a spolehlivě integrovat vaše elektromotory, nabízíme v naší dílně velké množství převodových součástí, včetně ozubených řemenů, převodových kol, řemenů a dalších.
Životnost a údržba
Životnost elektromotoru závisí na různých faktorech. Typ motoru, provozní podmínky, údržba a kvalita výroby mohou mít například vliv. Zde je několik klíčových faktorů, které ovlivňují životnost elektromotoru:
- Typ motoru: Některé typy motorů jsou robustnější a odolnější než jiné. Například díky své bezkartáčové konstrukci mají bezkartáčové stejnosměrné motory (BLDC) obecně delší životnost než motory s stejnosměrným proudem a kartáči.
- Provozní podmínky: Životnost zařízení mohou významně ovlivnit faktory, jako je teplota, vlhkost, rázová zatížení a vibrace. K tomuto účelu slouží rovněž motorová ochranná zařízení, jako je ochrana proti přehřátí a ochrana proti přepětí.
- Pracovní cyklus: Délka a četnost provozu ovlivňují životnost. Motory provozované v nepřetržitém provozu mají často kratší životnost.
- Údržba Elektromotory jsou obecně nízkoúdržbové – výjimkou jsou elektromotory s kartáči/abrazivními kontakty. Pravidelná kontrola a údržba, např. ložisek a opotřebitelných dílů, však může výrazně prodloužit životnost motoru.
Chlazení elektromotoru
Chlazení elektromotorů je zásadní pro zajištění jejich efektivního provozu a zachování bezpečných provozních teplot. Přehřátí může výrazně zkrátit životnost elektromotoru a vést k poruchám. Zde je několik běžných metod chlazení elektromotorů:
- Chlazení vzduchem
- Chladicí žebra a chladiče
- Chladicí kapalina
- Chlazení oleje
- Chlazení kapalinou
- Snímače teploty a ovládací prvky
