4.1.1.2.2 Zvláštne asynchrónne motory.

Jednofázové asynchrónne motory s kotvou nakrátko

Jednorazové asynchrónne (indukčné) motory sa môžu uplatňovať ako malé akčné členy tam, kde je k dispozícii len jednofázová sieť. Rozbiehajú sa s použitím tzv. pomocnej fázy. Pomocná fáza je doplnená obvykle rozbehovým kondenzátorom, ktorý spôsobí, že fázový posun medzi prúdom a napätím pomocnej fázy bude odlišný od fázového posunu medzi prúdom a napätím hlavnej fázy. Vzniknuté magnetické toky sú proti sebe časovo posunuté. Usporiadanie sa tak priblíži nutným podmienkam pre vznik krútiaceho magnetického poľa. Iným jednofázovým indukčným motorom je asynchrónny motor s tienenými pólmi. Póly motora majú vinutie vytvárajúce hlavný magnetický tok Φh. Na častiach pólových nástavcov sú umiestnené medené závity nakrátko. V nich sa indukuje prúd, ktorý tvorí magnetické pole Φz. Časový priebeh Φz je posunutý proti magnetickému poľu vyvolanému hlavnou fázou.

Magnetické ložiská asynchrónneho motora

Ako zláštnu jednotku uveďme realizáciu elektrického pohonu s asynchrónnym motorom s kotvou nakrátko, riadeným zmenou kmitočtu. Nezvyčajnosť tohto pohonu spočíva v tom, že rotor je uložený v magnetických ložiskách (ASEA-Brown-Boveri).

Magnetické ložisko predstavuje riadenú elektromagnetickú sústavu, ktorá umožňuje udržovať feromagnetický hriadeľ pohonu v ose statoru. Princíp magnetického ložiska je naznačený na obr. 4.12.

Ak dôjde k odstredeniu v ose y o Δy je táto odchýľka polohy detekovaná indukčnými snímačmi S1y a S2 y. Riadiaca regulovaná sústava odchýlku spracuje a vyšle riadiace signály akčným elektromagnetickým členom: pribudne vinutie elektromagnetu M1y (prípadne upraví budenie M2 y) tak, aby regulačná odchýlka odpovedajúca Δy boal opravená. Obdobne je hriadeľ odstreďovaný v ose x. Na tomto princípe sú založené radiálne, ale aj axiálne magnetické ložiská pohonu.

Pohon väčšieho výkonu je riešený ako vertikálny. Hriadeľ je uložený v sústave dvoch radiálnych a jedného axiálneho ložiska a v kľude sa opiera o spodné, oporné ložisko. Pri aktivácii magnetických polí ložísk sa hriadeľ vysunie z oporného ložiska a dostane do pracovnej polohy, v ktorej sa nedotýka zadnej časti statoru. Až od tohto okamihu začína vlastné kmitočtové riadenie asynchrónneho motora vybaveného frekvenčným meničom. Taký motor sa môže uplatniť ako pohon čerpadla primárneho okruhu jadrovej elektrárne.


Lineárny asynchrónny motor

Lineárny asynchrónny motor predstavuje sústavu s rozvinutým rotorom (kotvou nakrátko) a statorom. Do roviny rozvinutý stators trojfázovým, 2p-pólovým vinutím, napájaný 3F prúdom vyvolá harmonicky premenné magnetické pole, ktoré sa bude pohybovať rýchlosťou

v = 2τp/T1 = 2τpf1

Vo vzťahu so symbolmi 2τp označili dĺžku dvoch pólových vzdialeností, T1 dobu periódy napájacieho statorového vinutia a f1 kmitočet napájacieho napätia. V dôsledku indukovaných napätí a prúdov v kotve nakrátko vznikne magnetické pole, ktorého interakcia s pôvodným magnetickým poľom od statorového vinutia vyvoláva silu pôsobiacu v priamom smere. Veľkosť tejto sily závisí na sklze. Zatiaľ čo dĺžka statora je obmedzená, dĺžka kotvy môže byť ľubovoľná.

V porovnaní s elektromagnetmi majú lineárne asynchrónne motory výhodu v podstatne väčšej účinnosti. Dĺžka lineárneho motora nie je obmedzená tak ako dráha, ktorú vykoná behom príťahu elektromagnet. Sila vyvolaná lineárnym asynchrónnym motorom síce závisí na sklze, ale nevykazuje také zmeny ako sila elektromagnetu, ktorá sa behom príťahu výrazne mení. K tomu odpadajú problémy s veľkou vlastnou indukčnou cievkou elektromagnetu.


4.1.1.2.3 Synchrónne motory s permanentnými magnetmi

Ide zvlášť o motory menších výkonov používané ako servomotory mechatronických sústav. Miesto budiaceho vinutia má motor v rotore permanentné magnety. Také riešenie odstraňuje straty v budení motora aj potrebu zdroja budiaceho prúdu. Moderným riešením je použitie permanentných magnetov zo vzácnych zemín (samarium-colbat alebo neodyn-ferrum –colbat), umožňujúci dosiahnuť vysoké sýtenie (1T) a veľké koercitívne sily (až 7000 A/cm). Optimalizovaná konštrukcia dovoľuje až 5násobné preťaženie, preto sú tieto motory vhodné pre dynamicky náročné aplikácie. Motory sa dajú dopĺňať aj vhodnou planetovou prevodovkou a dosiahnuť tak potrebný moment a otáčky motora.

Stator synchrónneho motora je trojfázový, s vinutím uloženým v drážkach. Motor je napájaný z frekvenčného meniča s pulzne-šírkovou moduláciou a pracuje v režime podobnom vektorovému riadeniu asynchrónneho motora. Dajú sa teda získať rôzne momentové charakteristiky pre rôzne synchrónne otáčky. Riadenie synchrónneho motora pomocou meniča kmitočtu rieši aj problém spúšťania synchrónneho motora. Ten je u synchrónneho motora priamo napájaného zo siete riešený pomocou kotvy nakrátko vloženej do rotora. V takom prípade hovoríme o asynchrónnom rozbehu synchrónneho motora. Kotva nakrátko je súčasne tlmičom (amortizérom) synchrónneho stroja. Tlmí kývanie synchrónneho stroja, teda malú periodickú zmenu záťažového uhlu pri chode stroja.

Zvláštnu skupinu tvoria synchrónne motory s veľkým momentom a nízkymi otáčkami, ktoré umožňujú pri konštrukcii pohonu s požiadavkou na veľký výstupný moment vypustiť prevodovku. Príkladom môže byť vodou chladený mnohopólový motor Siemens 1FW3 s menovitým momentom Mn = 1 500 Nm a menovitými otáčkami nn = 250 1/min. Je zrejmé, že pre f1 = 50 Hz vychádza pre tento stroj počet pólov 24. Ešte výraznejším príkladom akčného člena s veľkým momentom je fy Beck&Sons, Inc., určený pre presné polohovanie ventilov tekutinových médií a iné priemyslové aplikácie. Akčný člen vykazuje moment až 10 850 Nm. Kompaktná jednotka obsahuje aj mikroprocesorový riadiaci modul, takže odpadá vonkajší štartér a vonkajšia riadiaca jednotka. (Pre zaujímavosť, najväčší moment motora bežného osobného automobilu býva asi 100x menší)

Synchrónne motory ako servomotory sa v súčasnosti vyrábajú nielen ako nízkootáčkové s veľkým momentom, ale tiež ako vysokootáčkové, s otáčkami až 12 000 1/min pri momente niekoľkých Nm. Špeciálne synchrónne vysokootáčkové motory s vysokou dynamikou môžu dosiahnuť dokonca až 30 000 1/min, maximálneho momentu 30 Nm a menovitého výkonu 10kW (IndraDyn).

Menšie kompaktné servomotory so zabudovanou riadiacou jednotkou s online komunikáciou sa uplatňujú zvlášť v robotike, kde konkurujú rovnakosmerným motorom a v mnohých priemyselných odvetviach. Ako vodou chladené kompaktné jednotky môžu byť konštrukčne pripravené aj pre namontovávanie hriadeľov obrábacích strojov. Splňujú tak požiadavky na presnosť a plynulosť pohybu a výslednú kvalitu obrábania. Vyznačujú sa krátkym časom nábehu na požadované otáčky.

Lineárne synchrónne motory

Lineárne synchrónne motory predstavujú opäť stroj s rozvinutým statorom a rotorom. Ako akčné členy s posuvným pohybom môžu vyvinúť menovitú silu v rozmedzí 250-6 700 N pri menovitej rýchlosti od 8 do 2,5 m/min. Maximálna vyvinutá sila môže byť pritom niekoľkonásobkom menovitej sily. Tomu samozrejme zodpovedajú znížené hodnoty maximálnej rýchlosti. Lineárne synchrónne a asynchrónne motory s ťažnou silou od 100 N do 20 kN vyrába v ČR VÚES Brno, a. s.


4.1.1.2.4 Jednosmerné motory a ich riadenie

Elektrické pohony s jednosmernými motormi predstavujú v súčasnosti konštrukčne vyspelé jednotky s vynikajúcimi dynamickými vlastnosťami a priebehom momentových charakteristík. Príkladom môžu byť 4 alebo 6pólové, cudzo budené motory spoločnosti ASEA-Brown-Boveri (ABB) ponúkané vo výkonoch 25-1 400 kW, budení 110-440 V, napätí kotvy 815 V a momentoch od 200 Nm do 20 000 Nm. Ak má takýto akčný člen pracovať ako servomotor, budú jeho otáčky v najjednoduchšom prípade riadené zmenou napätia kotvy pri konštantnom budení. Servomotor je obvykle vybavený dvoma spätnými väzbami (otáčkovou a prúdovou), riadiacou jednotkou s regulačnými algoritmami a riadením tyristorovým usmerňovačom. Takéto usporiadanie predstavuje regulačný pohon so spojitým riadením, ktoré udržuje nastavené otáčky hriadeľa motora, prípadne prúd (moment) motora pri rôznych režimoch záťaže.

Mechanickú uhlovú rýchlosť ω2 hriadeľa rovnakosmerného motora sa dá pri konštantnom budení Φ riadiť napätím U, ktoré dodá riadený usmerňovač:


ω2 = Ui = U – Rcia – ΔUk
KsΦ KsΦ

Vo vzťahu predstavujú symboly Rc celkový odpor kotvy, ia prúd rotoru, ΔUk malý úbytok napätia na kefách a Ks konštantu rovnakosmerného stroja.


4.1.1.2.5 Pokročilé jednosmerné motory

Ako pokročilé rovnakosmerné motory budeme označovať konštrukčné riešenia odlišné od klasických. Ich cieľom je zlepšenie vlastností stroja. Príkladom sú rovnakosmerné pohony maxom. Sú to dynamické elektromechanické rotačné prevodníky s výkonom do 400W, ktoré na vytvorenie mechanického momentu využívajú silové účinky magnetického poľa na vodič pod prúdom. Tieto motory sa vyznačujú samostatným homogénnym rúrovým vinutím rotora. Uložením osy motora v keramických púzdrach a prevedením čapov v prevodovkách z keramiky na báze ZrO2.

Výsledkom vývoja nových materiálov a technológií sú nadpriemerné dynamické vlastnosti motorov, účinnosť, doba života a hustota výkonu v zaujímavom priestore a hmotnosti. Rovnakosmerné pohony tohto typu sú súčasťou ponuky, ktorá zahrňuje komutátorové rovnakosmerné motory, elektricky komutované (EC) motory, planetové a čelné prevodovky, elektromagnetické brzdy, inkrementálne snímače a riadiace jednotky.

Jednosmerné motory s komutátorom

Jednosmerné komutátorové motory rovnakej spoločnosti sa líšia od obvyklých rovnakosmerných motorov odlišnou konštrukciou vinutia rotoru. Závity vinutia nie sú vložené do drážok na povrchu jadra z transformátorových plechov, ale sú vytvarované a usporiadané do tvaru tenkej trúbky. Trúbka je spevnená, aby bola samostatná a bola schopná preniesť obvodovú silu z vodičov na hriadeľ. Trúbka je na jednom čele pripojená diskom k hriadeľu rotora. Hriadeľ v mieste disku nesie aj komutátor. V magnetickom poli statora sa otáča len medené vinutie, ostatné časti magnetického obvodu sú pevné.

Použitie samonosného vinutia prináša radu výhod:

-Výrazné potlačenie iskrenia medzi kefami a komutátorom. Dôvodom je skutočnosť, že zmena magnetického poľa a energie b samostatnom vinutí indukuje podstatne menšie napätie pre vyťažení oblúku, než by spôsobila energia magnetického poľa sústredená vo vinutí a v magnetickom obvode rotora konvenčného motora.

-Vysoká účinnosť motora (80-90%) a nízka energetická náročnosť sú ďalšími dôsledkami absencie železa rotora. Vznik strát v železa rotora je spojený s jeho postupným premagnetovaním v priebehu jednej otáčky v magnetickom poli statora. Je známe, že v rotore konvekčného motora sa vinú straty v železe, zložené zo strát hysterezných (premagnetovaním) a strát vírivými prúdmi. Hysterezné straty môžeme ovplyvniť voľbou feromagnetického materiálu (s malou koercitívnou silou), straty vírivými prúdmi sa klasicky obmedzujú zložením jadra z elektricky izolovaných plechov. Straty rastú s kmitočtom magnetického poľa (rýchlosťou otáčania), zahrievajú rotor a znižujú tak účinnosť.

-Vysoká magnetická indukcia je dosiahnutá použitím permanentného magnetu na báze vzácnych zemín. Najvýkonnejšie magnetické materiály sú na báze NdFeB, neodym-železo-bór. Ďalšie používané magneticky tvrdé materiály sú AlNiCo a magneticky tvrdý ferit.

-Pre permanentný magnet je týchto motoroch využitá dutina v samonosnom vinutí, mimo vinutia je len tenký feromagnetický plášť, ktorým sa uzaviera magnetický tok. Motor takého konštrukčného usporiadania má menší priemer a hmotnosť v porovnaní s konvekčnými motormi, kde je rotorové vinutie uložené v drážkach rotorových plechov a pre permanentné magnety zostáva miesto v statore.

-Vinutie motora má veľmi nízky moment zotrvačnosti a nízku indukčnosť. To sú parametre, ktoré sa prejavia v malej elektrickej aj mechanickej konštante. Mechanická časová konštanta 5 až 10 ms dáva motorom možnosť rýchlo sa rozbehnúť alebo zastaviť. Pohon spojený s riadiacou jednotkou veľmi rýchlo reaguje na regulačné odchýlky a riadenie je rýchle a stabilné aj pri prudkých zmenách zaťaženia.