Elektromotor

Razni elektromotori. Najveći je izmjenični asinhroni motor. Motor u donjem desnom uglu je koračni motor.

Rotor i stator elektromotora.

Delovi jednosmernog motora (na primer usisivača): (A) komutator ili kolektor, (B) četkica od elektrografita, (C) namotaj ili vodiči rotora, (D) namotaj ili vodiči statora (F) priključak namotaja i vodiča, (E) vodilica četkice.

Presek kroz indukcijski ili asinhroni elektromotor.

Obrtno magnetno polje kao suma vektora magnetnih indukcija tri fazna namotaja. Ovo je ilustracija rada trofaznog naizmeničnog motora.

Okretno magnetno polje.

Mali sinhroni motor sa reduktorom iz mikrotalasne peći.

Razne implementacije servomotora.

Elektromotor ili električni motor je električna mašina koja pretvara električnu energiju u mehaničku energiju. Obrnuti proces, pretvaranje mehaničke energije u električnu energiju, se vrši generatorom. Dve glavne vrste električnih motora su: motor za jednosmernu struju (jednosmerni motor) i motor za naizmenične struje (naizmenični motor). Na osnovu saznanja o delovanju magnetnih polja silom na električni provodnik kojim teče električna struja, prvi je nastao od 1833, a napajao se jednosmernom strujom iz baterije galvanskih ćelija. Pronalasci naizmeničnih motora povezani su s primenama višefaznih sistema električnih struja i napona, kao i obrtnih magnetnih polja, za što je najzaslužniji Nikola Tesla, a u upotrebi su od 1888. Najčešće su rotacijske mašine koje rad obavljaju okretanjem rotora uz razvijanje obrtnog momenta. Takođe postoje i linearni motori koji stvaraju silu koja stvara ubrzanje i linearno kretanje mase mašine ili predmeta pri čemu se obavlja mehanički rad. U upotrebi je mnogo vrsta i implementacija elektromotora i oni su danas najviše korištene pogonske mašine u gotovo svim područjima ljudske delatnosti a najviše u industriji i saobraćaju. Primeri korištenja u saobraćaju su lokomotive vozova, tramvaji, trolejbusi, električni automobili.

Princip rada

Većina elektromotora rade na principu elektromagnetne indukcije, ali postoje i motori koji koriste druge elektromehaničke fenomene, kao što su elektrostatička sila i piezoelektrični efekat. Fundamentalni princip na kom se zasnivaju elektromagnetski motori je mehanička sila koja deluje na provodnik kroz koji protiče električna struja i koji se nalazi u magnetskom polju. Ova sila je opisana Lorencovim zakonom i njen pravac je normalan na provodnik i magnetsko polje.

Većina elektromagnetnih motora je rotacionog tipa, a postoje i linearni motori. U rotacionom motoru, obrtni deo se naziva rotor, a nepomični se naziva stator. Namotaji na rotoru su postavljeni aksijalno, a magnetsko polje je radijalno. Stoga mehanička sila deluje tangencijalno, pa se razvija obrtni moment na osovini rotora

Vrste elektromotora po vrsti struje ili napona koji koriste

Elektromotori na naizmeničnu struju

Mogu biti monofazni ili trofazni:

Sinhroni motor

• Sinhroni motor je mašina koja se okreće vrlo tačnom brzinom u skladu sa frekvencijom napajanja - električne mreže ili svog posebnog (sinhrono sa mrežom).

Motor sa dva pola (jedan par polova) će se okretati brzinom od 50 obrtaja u sekundi odnosno 3.000 obrtaja u minutu (kod mreže od 50 Hz), sa četiri pola 25 obrtaja u sekundi odnosno 1500 obrtaja u minutu, itd. Za dovođene motora iz mirovanja do blizu sinhrone brzine potreban je poseban metod.

Asinhroni motor

• Asinhroni motor je najviše korišteni motor na naizmeničnu struju. Jednostavne konstrukcije, jeftin i pouzdan u radu, koristi se svuda u industriji za najrazličitije zadatke. Njegova brzina rotacije je donekle promenljiva zavisno od opterećenja, ali uglavnom je nešto ispod (Frekvencije mreže : broja parova polova). Na primer, asinhroni motor sa četiri pola (dva para polova) i frekvencijom mreže od 50 Hz će imati radnu brzinu oko 23-24 obrtaja u sekundi, ili oko 1.440 obrtaja u minuti.

Elektromotori na jednosmernu struju

Razlikuju se po načinu povezivanja namotaja polja (statora) i armature (rotora), kao i po karakteristikama. Obično imaju komutator.

Motor sa nezavisnom pobudom

Potrebna su dva izvora napajanja - manje snage za namotaj statora i nominalne (nazivne, naznačene) snage za namotaj rotora. Relativno stabilna brzina pri različitim opterećenjima, ako je napon nepromenljiv. Brzina se lako podešava, promenom napona napajanja.

Serijski motor

Namotaji armature i polja su vezani serijski. Vrlo velika brzina pri malom opterećenju, vrlo dobar početni obrtni momenat. Radna brzina se reguliše promenom amplitude napona napajanja. Korišteni često za lokomotive, tramvaje, pokretač u vozilima (anlaser) i u ručnim alatima sa aku-baterijom.

Paralelni motor

Namotaji armature i polja su vezani paralelno. Relativno stabilna brzina pri različitim opterećenjima, čak i pri promenama napona napajanja (nestabilna mreža). Koriste se retko, npr. za pokretne trake u rudnicima.

Serijsko-paralelni (kompaund) motor

Tri namotaja - dva pobudna na statoru i glavni na rotoru. Kombinacija radnih karakteristika serijskog i paralelnog motora jednosmerne struje.

Motor sa permanentnim magnetima

Male snage, vrlo česti u igračkama.

Kod ovih motora polje stvaraju magneti. Gubici su niski, snage ograničene do nekoliko kilovata. Najčešći motor u igračkama, brisačima i ventilaciji u vozilima, i slično.

Univerzalni motori

Univerzalni motor je motor s komutatorom i četkicama, sličan jednosmernom serijskom motoru, koji može da radi ili na jednosmerno ili na naizmjenično napajanje. Vrlo česti u usisivačima, kuhinjskim alatkama, kao i ručnom alatu (bušilice, brusilice i slično). Velika brzina rotacije omogućuje da motor malih gabarita razvija relativno veliku snagu.

Vrste elektromotora po načinu rada

• obični rotacioni - većina elektromotora spada u ovu grupu
• linearni (linijski) - „rotor“ ne rotira već se kreće u liniji. Koriste se za vozove na magnetnom jastuku.
• koračni motor (stepper motor) - rotor ovog motora se pokreće u uglovnim „koracima“ od nekoliko stepeni i onda stoji. Potrebna kontrolna elektronika za rad. Koristi se u štampačima i drugdje gdje je precizno pozicioniranje od značaja.

Jednosmerni motor ili motor za jednosmernu struju

Glavni članak: Jednosmerni motor

Jednosmerni motor ili motor za jednosmernu struju pretvara jednosmernu električnu struju u kružno kretanje. Mašina je tako konstruisana da može da radi kao električni generator jednosmerne struje ako se mehanički pokreće spoljašnjom silom. Svojstven je deo rotora motora za jednosmernu struju kolektor ili komutator, pa je prema tome u uvrežen naziv kolektorski motor. Putem kolektora i četkica ostvaruje se električni kontakt (dodir) s rotorskim namotom i pretvara naizmeničnu struju u jednosmernu. Motor se izvodi s nezavisnom, serijskom, složenom (kompaundiranom) pobudom ili s trajnim magnetima. Zbog mogućnosti kontinuirane promene brzine pokretanja jednosmerni se motor koristio u industriji za pogon kolosečnih i nekih posebnih vozila (tramvaja, lokomotiva, elektromobila i drugo). Brzina se menja na razne načine, a kod savremenih pogona upravlja računarom. Zbog mogućnosti napajanja iz akumulatorskih baterija, jednosmerni se motor koristi i kao pokretač motora s unutrašnjim sagorevanjem (na primer u automobilima i dizelskim agregatima). Ipak, zbog izrade komutatora i njegovog održavanja, te habanja (trošenja) četkica i pratećeg iskrenja, jednosmerni se motor, s obzirom na nabavnu cenu i pogonsku pouzdanost, manje koristi nego kavezni asinhroni motor.

Klasični jednosmerni motor se sastoji od rotirajuće armature koja je oblikovana u obliku elektromagneta s dva pola i od statora koji čine dva permanentna magneta. Krajevi namota armature spojeni su na rotacijski prekidač, komutator, koji prilikom svakog okretaja rotora dva puta menja smer toka struje kroz armaturni namotaj stvarajući tako moment koji zakreće rotor. Proticanjem jednosmerne struje kroz vodič koji se nalazi u magnetskom polju stvara se, prema pravilu leve ruke, sila koja zbog svog hvatišta, koje se nalazi izvan ose rotacije rotora, stvara moment koji zakreće rotor. Električna veza između rotora i izvora jednosmerne struje se ostvaruje tako da se izvor jednosmerne struje spoji na grafitne četkice koje kližu po komutatoru ili kolektoru. Prilikom prelaska četkice s jedne na drugu lamelu komutatora postoji trenutak kada se izvor nalazi u kratkom spoju usled čega dolazi do iskrenja četkica. Iskrenje četkica dovodi do polaganog uništavanja grafitnih četkica, ali i do oksidacije i trošenja komutatora, pa je to glavni nedostatak ove vrste motora. Iskrenje se pojačava ako se povećava: brzina okretanja motora (broj okretaja), električni napon, opterećenje, odnosno struja kao posledica povećanja napona ili opterećenja. Iskrenje osim samog uništavanja komutatora i četkica za posledicu ima i stvaranje čujnog i električnog šuma.

Naizmenični motor ili motor za naizmenične struje

Glavni članak: Naizmenični motor

Naizmenični motor ili motor za naizmenične struje može biti asinhron i sinhron.

Naizmenični asinhroni ili indukcijski motor

Glavni članak: Indukcijski motor

Naizmenični asinhroni ili indukcijski motor, koji se napaja iz mreže naizmeničnoga trofaznog ili jednofaznog napona, najviše se koristi u industrijskim postrojenjima. Takav motor izveden za priključak na jednofaznu mrežu služi i u manjim uređajima, na primer u radioničkim, laboratorijskim i kućnim uređajima (pumpe, mašine za pranje veša i posuđa, hladnjaci). U asinhronom motoru okretno se magnetno polje stvara prolaskom trofazne struje kroz trofazne namotaje smeštene na statoru. Ono se može stvoriti i priključkom motora na jednofaznu mrežu, ako se dva fazna namotaja prostorno pomaknu za prigodan ugao i ako se u jedan namotaj doda električni kondenzator, kojim se ostvari fazni pomak među strujama kojima se napajaju ta dva namotaja (kondenzatorski motor). Nastalo okretno statorsko magnetno polje indukuje u rotorskim provodnicima napone i struje koje stvaraju svoje okretno magnetno polje. Međudelovanjem ta dva polja stvaraju se elektromagnetne sile i zakretni momenti uzrokuju rotaciju rotora. Te sile i momenti postoje samo dotle dok silnice okretnoga polja seku električne provodnike rotora, a nestaju onog časa kada se brzine rotora i okretnoga polja izjednače (sinhrona brzina), to jest kada nestane relativno kretanje provodnika rotora prema okretnom polju, pa prema tome i indukovanih napona i struja u rotorskim provodnicima. Za ispravan rad takvog motora nužno je da brzina rotacije rotora bude neznatno manja od sinhrone brzine (takozvano klizanje rotora), pa odatle naziv asinhroni motor.

Kavezni motor je najčešće upotrebljavana vrsta asinhronog motora nazvan prema rotorskom namotaju koji se sastoji od neizolovanih, najčešće aluminijumskih provodnika simetrično raspoređenih po obodu željeznog jezgra rotora i kratko spojenih na oba kraja, što nalikuje kavezu ili krletki. Takav motor ima najveću primenu u industriji jer se u njegov rotor ne mora dovoditi struja, pa nisu potrebne ni četkice i kolektor. Da bi se sprečilo njegovo preveliko zagrejavanje, na osovini rotora nalazi se ventilator. Sinhroni i asinhroni motori vrlo su jednostavni po konstrukciji, a time i jeftiniji od ostalih motora. I to posebno asinhroni motor, koji nema kolektore i klizne kolute.

Velika je zasluga Nikole Tesle da je otkrio rotacijsko magnetsko polje pomoću kojeg je omogućio konstrukciju asinhronog motora. Rotacijsko magnetno polje, to jest magnetno polje koje se vrti, može se proizvesti s najmanje dve naizmenične struje koje su pomaknute u fazi. Ako se u tom rotacionom magnetnom polju nalazi šupalj bakarni valjak, magnetne silnice će ga u vrtnji seći, i u njemu će se indukovati električna struja. Magnetno polje će delovati na tu struju tako da će se valjak okretati u istom smeru kojem se vrti magnetsko polje. U praksi se proizvodi rotirajuće magnetno polje pomoću trofazne struje, a rotor je izrađen iz bakarnih ili aluminijumskih štapova, međusobno izolovanih, koji su na krajevima kratko spojeni prstenima. Kako takav rotor izgleda kao kavez, zove se i kavezni rotor.

Sinhroni motor

Glavni članak: Sinhrona mašina

Sinhroni motor se ne razlikuje po implementaciji statora od asinhronog, ali su na rotoru ugrađeni trajni magneti ili je rotorski namotaj napajan jednosmernom strujom iz posebnog izvora. Takav će se rotor vrteti sinhrono s okretnim poljem stvorenim višefaznim statorskim strujama. Brzina vrtnje sinhronog motora proporcionalna je frekvenciji u mreži na koju je motor priključen, a kako je ta frekvencija stalna, stalna je i brzina vrtnje bez obzira na opterećenost motora. Prednost je sinhronog motora prema asinhronom što ne opterećuje mrežu jalovim strujama za svoje magnetizovanje, čak može davati jalovu struju u mrežu. Međutim, nedostatak mu je što se pri svakom uključivanju na električnu mrežu njegovu brzinu vrtnje treba približiti sinhronoj brzini, bilo malim pomoćnim motorom, bilo u asinhronim radom, a zatim je sinhronizovati.

Generator naizmenične struje može takođe da posluži i kao motor, samo namotaj statora treba priključiti na izvor naizmenične struje, a namotaj rotora na izvor jednosmerne struje. Kako magneti na rotoru imaju stalne polove, dok se polovi statora menjaju kao i naizmenična struja, to se rotor mora okretati istom ugaonom brzinom kolika je i frekvencija naizmenične struje. Zbog toga se on zove sinhroni motor. Ako se na primer južni pol rotora između suprotnih polova statora, rotor će nastojati da se okrene prema severnom polu statora. Tu bi on stao kad se u istom trenutku ne bi promenio smer struje u statoru, te od severnog pola statora nastao južni pol. Zato se sinhroni motor ne može sam pokrenuti, jer kako se smer struje u statoru brzo menja, tako se menja i smer zakretnog momenta kojim magnetno polje statora deluje na rotor. Kod pokretanja mora biti odmah postignuta sinhronizacija (istovremenost) između brzine rotora i frekvencije naizmenične struje da se motor može okretati. Zato se pokretanje vrši rukom kod malih motora ili pomoćnim motorom kod većih mašina. Ako bi zbog opterećenja takav motor zaostao u brzini, izgubio bi sinhronizam i stao. Stoga se takvi motori ne mogu upotrebiti tamo gde se opterećenja menjaju.

Posebne vrste elektromotora

Postoje elektromotori posebnih konstrukcija i namena, kao što je na primer servomotor, koji se koristi u regulacijskim sistemima i servomehanizmima, selsinski motor za praćenje položaja izvršnog sklopa, linearni motor čiji se pokretni deo pomiče po pravcu i drugi.

Premotavanje elektromotora

Premotavanje elektromotora je postupak namotava bakarne žice na rotor električnog motora. Motor čiji je namotaj rotora pregoreo, se ovom metodom dovodi u ispravno stanje, a cena usluge sa novom žicom je često manja od cene novog motora. Isti postupak se koristi i za namotaje releja, kalemova, tranformatora, Pupinovih kalemova itd.

Literatura

• „Elektrische Chronologie”. Elektrisiermaschinen im 18. und 19. Jahrhundert – Ein kleines Lexikon ("Electrical machinery in the 18th and 19th centuries – a small thesaurus") (na jeziku: German). University of Regensburg. 2004. Arhivirano iz originala 9. 6. 2011. g. Pristupljeno 23. 8. 2010. CS1 održavanje: Neprepoznat jezik (veza)
• Blundel, Stephen J. (2012). Magnetism A Very Short Introduction. Oxford University Press. str. 36. ISBN 978-0-19-960120-2. 
• Fink, Donald G.; Beaty, H. Wayne (2000). Standard Handbook for Electrical Engineers (na jeziku: engleski). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-022005-8. 
• Guillemin, Amédée (1891). 'Le Magnétisme et l'Électricitée' [Electricity and Magnetism]. trans., ed. & rev. from the French by Sylvanus P. Thompson. McMillan and Co. Arhivirano iz originala 4. 1. 2018. g. 
• Houston, Edwin J.; Kennelly, Arthur, Recent Types of Dynamo-Electric Machinery, American Technical Book Company 1897, published by P.F. Collier and Sons New York, 1902
• Kuphaldt, Tony R. (2000—2006). „Chapter 13 AC Motors”. Lessons In Electric Circuits – Volume II. Pristupljeno 11. 4. 2006. 
• Rosenblatt, Jack; Friedman, M. Harold (1984). Direct and Alternating Current Machinery (na jeziku: engleski). C.E. Merrill Publishing Company. ISBN 978-0-675-20160-5. 
• Knowlton, A.E., ur. (1949). Standard Handbook for Electrical Engineers (8th izd.). McGraw-Hill. 
• Stölting, Hans-Dieter D.; Kallenbach Eberhard; Amrhein, W., ur. (2008). Handbook of Fractional-Horsepower Drives. Springer. str. 134. ISBN 978-3-540-73128-3. 
• Hameyer, Kay (2001). „Electrical Machine I: Basics, Design, Function, Operation” (PDF). RWTH Aachen University Institute of Electrical Machines. Arhivirano iz originala (PDF) 10. 2. 2013. g. Pristupljeno 11. 1. 2013. 
• Bedford, B.D.; Hoft, R.G. (1964). Principles of Inverter Circuits. New York: Wiley. ISBN 978-0-471-06134-2. 
• Bose, Bimal K. (2006). Power Electronics and Motor Drives : Advances and Trends. Academic Press. ISBN 978-0-12-088405-6. 
• Chiasson, John (2005). Modeling and High-Performance Control of Electric Machines (Online izd.). Wiley. str. 14. ISBN 978-0-471-68449-7. 
• Fitzgerald, A.E.; Kingsley, Charles, Jr.; Umans, Stephen D. (2003). Electric Machinery (6th izd.). McGraw-Hill. str. 688. ISBN 978-0-07-366009-7. 
• Pelly, B.R. (1971). Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters : Operation, Control, and Performance. Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-67790-1. 

Spoljašnje veze

• An Animated Explanation of How AC & DC Motors Work WeCanFigureThisOut.org
• SparkMuseum: Early Electric Motors
• The Invention of the Electric Motor 1800 to 1893, hosted by Karlsrushe Institute of Technology's Martin Doppelbauer
• Electric Motors and Generators, a University of NSW Physclips multimedia resource
• An animated explanation of how AC & DC motors work WeCanFigureThisOut.org
• IEA 4E – Efficient Electrical End-Use Equipment.
• iPES Rotating Magnetic Field, animation