Princip činnosti a konstrukce

Úvod

Stejnosměrné stroje jsou historicky nejstaršími elektrickými stroji a nejprve se používaly jako generátory pro výrobu stejnosměrného proudu. V současné době se stejnosměrné stroje používají především jako motory v elektrických regulovaných pohonech (např. u obráběcích strojů, válcovacích stolic, těžních strojů, v automobilovém průmyslu a v elektrické trakci). Generátory (dynama) jsou postupně nahrazovány polovodičovými usměrňovači. Regulované pohony se stejnosměrnými motory jsou v řadě technických oblastí postupně nahrazovány střídavými regulovanými pohony s asynchronními motory zejména proto, že stejnosměrné motory jsou vzhledem k asynchronním motorům složitější a výrobně a provozně nákladnější. Stále však existují oblasti, ve kterých se stejnosměrné stroje používají pro některé své výhodné vlastnosti a speciální charakteristiky.

Konstrukční uspořádání

Na statoru jsou k vytvoření magnetického toku umístěny hlavní póly, které mohou být buzeny cívkami, kterými protéká proud (tzv. budící vinutí), nebo permanentními magnety. Póly s budícím vinutím se skládají z pólového jádra a pólového nástavce. Dále zde mohou být tzv. pomocné póly (komutační), které jsou umístěny mezi hlavními póly pro zlepšení komutačních vlastností stroje. Rotor (pohyblivá část stroje, která se nazývá kotvou) je složen z dynamových (izolovaných křemíkových) plechů, v jehož drážkách, umístěných po obvodu, je vinutí. Jednotlivé cívky vinutí kotvy jsou připojeny k měděným, vzájemně izolovaným lamelám komutátoru, který zde zastává funkci mechanického usměrňovače proudu. Komutátor je spolu s magnetickým obvodem mechanicky nasazeným na hřídeli stroje. Na komutátor dosedají kartáče, které jsou umístěny ve speciálních držácích, jimiž se přivádí proud do vinutí kotvy. Komutátor a kartáče tvoří sběrné ústrojí stroje. [1]

Obr. 1: Provedení statoru  stejnosměrného stroje [2]

 

Obr. 2: Konstrukce  stejnosměrného stroje [2]

 

Princip činnosti stejnosměrného stroje

Princip činnosti lze vysvětlit na elementárním stroji, jehož vinutí kotvy tvoří pouze dva vodiče  spojené do jednoho závitu umístěného na rotoru, který se otáčí v magnetickém poli vytvořeném dvojicí hlavních pólů ( s jedním severním a jižním pólem).

Obr. 3: Princip činnosti stejnosměrného stroje [3]

Závit je připojen ke dvěma lamelám komutátoru, které jsou navzájem izolovány a otáčejí se společně s rotorem. Na komutátor dosedají dva nepohyblivé kartáče, které jsou umístěny do tzv. neutrální osy, tj. do geometrické osy mezi dvěma sousedními hlavními póly. Stejnosměrné stroje mohou pracovat jako generátory (přeměňují mechanickou energii na elektrickou), a nebo jako motory (přeměňují naopak elektrickou energii na mechanickou). Schéma elementárního stroje je na obr. 3.

Otáčí-li se kotva otáčkami n, pohybují se vodiče závitu o délce l v magnetickém poli s indukcí B rychlostí v (kolmou složkou na směr siločar), indukují se do nich dle indukčního zákona pohybová napětí

Za polovinu otáčky si vodiče vymění místa a indukovaná napětí v nich změní svůj směr, a mají tedy tvar střídavého napětí. Vodiče jsou připojeny k lamelám komutátoru, na který dosedají kartáče. Ke spodnímu kartáči (+) je vždy připojen vodič pod jižním pólem a k hornímu kartáči (–) vodič pod severním pólem. Polarita napětí na kartáčích se tedy nemění, to znamená, že komutátor usměrňuje střídavé napětí indukované ve vinutí kotvy. Vnějším obvodem připojeným ke kotvě protéká stejnosměrný proud, zatímco ve vodičích kotvy má proud střídavý charakter. Indukované napětí na svorkách stroje je pulzující, pro jeho zlepšení se vinutí kotvy vyrábí s větším počtem cívek a jemu odpovídajícím počtem lamel komutátoru.

Na vodiče, kterými prochází proud I_a a které se nacházejí v magnetickém poli s indukcí B, působí síla F, jejíž velikost je dána vztahem:

Síly působící na jednotlivé vodiče cívky vytvářejí točivý moment, jehož směr bude závislý na směru proudu ve vodičích a v přívodu k motoru. V případě připojení napětí zdroje, které je větší než napětí indukované, bude mít moment stroje hnací účinek, jehož důsledkem bude snaha o urychlení rotoru a zvýšení otáček až na hodnoty rychlosti naprázdno W₀ (otáček n₀) a tím i indukovaného napětí na hodnotu napětí zdroje.

V případě připojení napětí menšího nebo pouze rezistoru bude mít moment stroje brzdný účinek, jehož důsledkem bude snaha o snížení otáček a tím i indukovaného napětí. Časový průběh momentu stejně jako indukovaného napětí má opět pulzující tvar.

 

Zdroje

[1] VRÁNA, Václav, Stanislav KOCMAN a Václav KOLÁŘ: Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-10]. Dostupný na www: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/hgf/elektrotechnika/sylab_stejnosmerne_stroje_bc.pdf

Obrázky

[2] TKOTZ, Klaus : Příručka pro elektrotechnika. Europa - Sobotáles, 2006

[3] Autor neznámý. www.offroad-rc.info [online]. [cit. 2014-9-10]. Dostupný na www: http://www.offroad-rc.info/WordPress/?page_id=482