Elektrické motory v průmyslovém prostředí

Slouží k tomu, aby nám uvedlo poháněný pracovní mechanizmus pomocí elektrické energie do požadovaného pohybového stavu.

Tato zařízení obsahují základní části pro přeměnu a přenos energie. Těmi jsou elektromotory, měniče elektrické energie, spojky a převodovky. Pro řízení těchto pohonů a signalizaci procesu řízení se využívá regulátorů, čidel, převodníků, a především řídicích systémů.
Tyto elektrické motory mohou být děleny podle různých kritérií. Nejčastější dělení je podle napájecího napětí na:

• stejnosměrné motory,
• střídavé motory rozdělené dále na:
  – asynchronní motory,
  – komutátorové motory,
  – synchronní motory
  – krokové motory

Napájecí napětí určuje konstrukci motoru, a především jeho statické a dynamické vlastnosti. Každý elektrický motor má své specifické použití.

Stejnosměrné motory

Využívají principu minimální energie. Ve vnitřním magnetickém poli se nachází smyčka, kterou protéká proud. Ten indukuje magnetické pole, které je vždy orientováno stejně jako vnější magnetické pole; toho je dosaženo díky komutátoru, který změní směr proudu smyčkou pokaždé, kdy dojde k překlopení. Energie této soustavy bude nižší, pokud budou magnetická pole orientována proti sobě. Proto působí na smyčku moment, který se ji snaží překlopit. Protože po překlopení se změní směr proudu protékajícího smyčkou, pokračuje toto pak dále.
Klasický stejnosměrný motor má kotvu tvořenou elektromagnetem. Kroutící moment je vytvořen na základě vzájemného přitahování opačných magnetických pólů a odpuzování souhlasných pólů.
Magnetické pole může být vybuzeno permanentním magnetem nebo cívkou napájenou stejnosměrným proudem ze zvláštního zdroje (cizí buzení) anebo cívkou, kterou protéká proud napájející kotvu motoru. Kromě sériového buzení může být motor buzen také paralelně nebo smíšeně. Podle budícího toku rozdělujeme stejnosměrné motory na:

• motory s budícím tokem nezávislým na zatížení (buzení cizí, paralelní a permanentní magnety)
• motory s budícím tokem závislým na zátěži (sériové buzení)
• motory s buzením smíšeným (kompaundní buzení)

Střídavé motory

Střídavé asynchronní motory
Střídavý třífázový asynchronní motor je nejrozšířenějším typem pohonné jednotky. Typický asynchronní motor má statorové vinutí pro třífázové napájení složené ze tří statorových cívek, které vytvářejí kruhové točivé magnetické pole. Motorek s jednou fází by se teoreticky nemohl samostatně rozběhnout.
K jeho rozběhu slouží pomocné vinutí, které je připojeno přes elektrický kondenzátor krátkodobě k fázi. Kondenzátor způsobí fázový posun, točivé magnetické pole je eliptické. Na trhu jsou také asynchronní motorky s trvale zapojeným pomocným vinutím přes kondenzátor. Statorové cívky jsou zapojeny do hvězdy nebo do trojúhelníku.
Pro určité napětí má zapojení do hvězdy 1,7krát menší odběr proudu než do trojúhelníka, což se využívá všeobecně při rozběhu motoru s výkonem nad 4 kW. Nejprve se při rozběhu motor zapojí do hvězdy a po dosažení provozních otáček se přepojí do trojúhelníka. Rotor může mít dvojí provedení:

• kotva nakrátko
• vinutý, přičemž vinutí je vyvedeno z rotoru pomocí kroužků a kartáčů

Vinutý rotor má obdobně jako stator třífázové vinutí, které je založeno v drážkách. Toto vinutí se vždy spojuje do hvězdy a vzniknuvší uzel se nevyvádí ven, ale je vytvořen přímo na rotoru. Počet pólů rotorového vinutí musí být shodný s počtem pólů statoru. Vývody z pohybujícího se rotorového vinutí lze realizovat prostřednictvím kluzných kontaktů, které jsou vytvořeny ze tří kroužků a uhlíkových kartáčů. Kluzný kontakt je relativně náročný na údržbu, proto se mnohem častěji užívají stroje s kotvou nakrátko, která tento kluzný kontakt nemá.
Otáčky asynchronního stroje lze řídit plynule změnou frekvence napájecího napětí užitím frekvenčních měničů, skokově přepínáním počtu pólů a řízením skluzu (odporem v rotoru u kroužkových motorů, napájením rotoru a impulsním napájením).

Jednofázové komutátorové motory
Jde o stejnosměrný motor připojený na jednofázovou síť. Pro trvalý chod musí být obvod statoru vyroben z izolovaných plechů a velkého počtu lamel (segmentů) na komutátoru. Komutace se u tohoto typu motoru zhoršuje, což nutí ke snížení magnetického toku a snížení kmitočtu. Oproti synchronním a asynchronním motorům lze u těchto motorů měnit otáčky v širokých mezích. Nevýhodou je jiskření na kartáčích, což způsobuje jejich opotřebení. Komutátorové motory velkých výkonů se používají jako trakční motory pro dráhové systémy.
Komutátorové motory pro malé výkony lze použít také pro síť s 50 Hz. Jedná se o domácí spotřebiče (mixéry, fény, mlýnky, vysavače) a elektrické nářadí (ruční vrtačky a brusky apod.).

Elektronicky komutované motory (EC motory)
Motor s komutátorem má nevýhodu v nutnosti údržby komutátoru, což u EC motorů odpadá. U elektronicky komutovaného motoru (EC) je vyměněna funkce statoru a rotoru. Také se jim někdy říká stejnosměrné bezkartáčové motory. Rotor tvoří permanentní magnet a do vinutí statoru je přiváděno elektronicky komutované napětí s fází závislou na poloze rotoru. Při malých rozměrech dosahují tyto motory relativně velkého výkonu a dynamiky, mají také tichý a plynulý chod. Rotor je tvořen permanentním magnetem ze vzácných zemin. Pro snímání polohy rotoru se používají Hallovy sondy, které se připojují spolu s fázemi motoru k servozesilovači. Motory dosahují velkých otáček při malém krouticím momentu. Pro dosažení vyššího krouticího momentu se používají čelní převodovky nebo planetové převodovky.

Synchronní střídavé motory
Synchronní motor pracuje pouze na synchronních otáčkách bez skluzu. Aby rotor sledoval otáčky točivého magnetického pole, musí obsahovat permanentní magnet nebo cívku napájenou stejnosměrným proudem. Synchronní motory se rozbíhají jako asynchronní s pomocným vinutím, ve kterém zanikne při synchronních otáčkách proud, anebo postupným zvětšováním kmitočtu. Velké synchronní motory mají zvláštní využití v energetice podniku, protože je lze použít ke kompenzaci indukční jalové složky proudu. Tato složka proudu vzniká v provozech, kde je velké množství například asynchronních pohonů. Tento motor může například pohánět centrální kompresor pro rozvod stlačeného vzduchu. V automatizaci mají význam malé motory buzené permanentními magnety na rotoru. Tyto motory jsou nejvíce používány pro polohové řízení výrobních (obráběcích) strojů, protože jsou vybaveny precizním senzorem polohy a otáček s vysokým rozlišením. Svou konstrukcí jsou vhodné pro dynamicky náročné úlohy. Doplněním vhodnou planetovou převodovkou je možno optimalizovat potřebný moment k otáčkám pohonu. Tyto střídavé motory jsou bezkartáčové synchronní motory s permanentními magnety na rotoru a třífázovým vinutím ve statoru. Optimalizovaná koncepce motoru s použitím nových magnetických materiálů (neodym-železo-bór) dovoluje až 5násobné momentové přetížení a motory vychází konstrukčně kratší oproti jiným typům.

Krokové motory
Podle konstrukčního provedení rotoru se krokové motory rozdělují do tří skupin:

• krokové motory s pasivním rotorem mající vyjádřené póly (zuby) na statoru a rotoru, jsou označovány jako reakční nebo reluktanční využívající proměnlivou magnetickou vodivost, podmínkou funkce je rozdílný počet pólů na statoru a rotoru
• krokové motory s aktivním rotorem, který obsahuje magneticky aktivní část, tj. budící vinutí nebo permanentní magnet, počet pólů rotoru a statoru je rozdílný; motory s permanentním magnetem udržují klidovou polohu, i když statorové vinutí je bez proudu
• hybridní motory, slučující konstrukční řešení obou předchozích typů.

Řízení krokových motorů rozeznáváme unipolární a bipolární. Při unipolárním řízení krokového motoru se čtyřmi statorovými cívkami prochází v každém okamžiku proud jen jednou cívkou. Motor má menší odběr proudu a také nejmenší kroutící moment oproti bipolárnímu řízení. Při bipolárním řízení prochází proud dvěma protilehlými cívkami. Tyto cívky jsou zapojeny tak, že mají navzájem opačně orientované magnetické pole. Motor v tomto režimu vyvozuje větší krouticí moment za cenu vyšší spotřeby proudu oproti zapojení unipolárnímu. Krokové motory se řídí jednofázově nebo dvoufázově. Při jednofázovém řízení generuje magnetické pole pouze jedna cívka (případně dvojice cívek při bipolárním buzení). Při dvoufázovém řízení generují shodně orientované magnetické pole dvě sousední cívky. Počet poloh rotoru se zdvojnásobí, protože lze rotor natočit také do mezipoloh daných jednofázovým řízením. Řízení lze provádět s plným nebo polovičním krokem. Řízení s plným krokem odpovídá počtu pootočení za otáčku rovném počtu zubů statoru daného motoru. Řízením s polovičním krokem dosáhneme dvojnásobné přesnosti.
Krokové motory nejsou jen pro otáčivý pohyb, ale také pro lineární posunutí. Lineární krokový motor využívá principu permanentně buzeného reluktančního krokového motoru. Stator je tvořen hranolem z nerezové oceli, ve kterém je vytvořena velmi přesná struktura zubů a mezer vyplněných polymerem. Povrch statoru je zabroušen. Stator tak vytváří současně vedení lineární osy a žádné další přídavné vedení není nutné. Běžec se pohybuje nad statorem na silně stlačeném tenkém vzduchovém polštáři, který vzniká rozvedením tlakového vzduchu do trysek po vnitřní ploše běžce a působí proti magnetické síle přitahující běžec ke statoru. Vypnutím přívodu vzduchu je běžec magneticky pevně přitažen ke statoru a motor tedy nepotřebuje žádnou přídavnou brzdu. V běžci jsou kromě rozvodu tlakového vzduchu zabudovány tři fáze vinutí motoru, které jsou vyvedeny na kovový konektor.