Akademie Elektra
§ 07 · Elektrické stroje a přístroje

Stejnosměrný motor

Motor s komutátorem a kartáči — snadná regulace otáček, velký záběrný moment i moderní bezkartáčová varianta.

01Princip

Na vodič protékaný proudem v magnetickém poli působí síla F = B·I·l. Ve stejnosměrném motoru je tímto vodičem vinutí kotvy, magnetické pole vytváří buzení statoru.

Aby moment působil stále stejným směrem, přepíná komutátor s uhlíkovými kartáči směr proudu ve vinutí kotvy.

02Konstrukce

  • Stator s budicím vinutím nebo permanentními magnety
  • Rotor (kotva) s vinutím ve drážkách
  • Komutátor — lamely na hřídeli
  • Uhlíkové kartáče přivádějící proud
  • Komutační pomocné póly potlačující jiskření

03Napětí, otáčky a moment

V otáčející se kotvě se indukuje protinapětí Ui = U − Ra·Ia. Při rozběhu ještě neexistuje, proto by proud omezoval jen malý odpor kotvy — používá se rozběhový odpor nebo řízený měnič.

Otáčky jsou přibližně úměrné napětí a nepřímo úměrné magnetickému toku (n ~ U/Φ), moment je úměrný toku a proudu kotvy (M = k·Φ·Ia). Zeslabením buzení lze otáčky zvýšit nad jmenovité.

04Druhy podle zapojení buzení

  • Derivační (paralelní) — téměř konstantní otáčky, dobrá regulace
  • Sériový — velký záběrný moment, otáčky silně závisí na zátěži, nesmí běžet naprázdno
  • Kompaundní (smíšený) — kombinace obou vlastností
  • S permanentními magnety — malé motory, hračky, automobilová technika
  • Cize buzený — nezávislý zdroj buzení, přesná regulace

05Řízení a brzdění

Moderní pohony řídí napětí kotvy pulzně šířkovou modulací. Brzdit lze rekuperačně (motor pracuje jako generátor a vrací energii), dynamicky do odporu nebo protiproudem.

Bezkartáčové provedení (BLDC/EC motor) nahrazuje komutátor elektronikou — má delší životnost, vyšší účinnost a nejiskří.

06Použití, výhody a nevýhody

  • + snadná a plynulá regulace otáček v širokém rozsahu
  • + velký záběrný moment (zvlášť sériový motor)
  • + jednoduché napájení z baterie
  • − opotřebení kartáčů a komutátoru, nutná údržba
  • − jiskření a elektromagnetické rušení
  • − vyšší cena a hmotnost proti asynchronnímu motoru
interaktivní schéma

Stejnosměrný motor a jeho zatížení

STATOR · PEVNÝROTOR · OTÁČÍ SEHřídel
NSNS+−Stator · stálé magnetické poleKartáče a dělený komutátor
Otáčky n
1 910 ot/min
Proud kotvy Iₐ
2 A
Indukované protinapětí E
20 V
Mechanický výkon P₂
40 W

Ustálený chod · vyšší zatížení zvýší proud a sníží otáčky. Záběrný moment: 1,2 N·m. Ztráty v kotvě: 8 W.

E = U − Rₐ·Iₐ, M = k·Φ·Iₐ, ω = E / (k·Φ). Model cize buzeného motoru s konstantním tokem, bez tření a ztrát v železe; nepředstavuje sériový motor. Obrácení polarity kotvy při zachovaném buzení mění směr. Stator je nehybný, rotor se otáčí uvnitř něj. Pohyb je 100× zpomalený.