Vznik a přenos točivého magnetické pole

28.4.2024 - Ing. Aleš Smeták

Točivé magnetické pole

Magnetické pole jako takové vytváří neviditelnou sílu, která působí na magnetické materiály a je vytvořeno elektrickým proudem, který prochází prochází vodičem. To jsme si již vysvětlili v tomto článku.

Mezi vlastnosti magnetického točivého pole patří:

• Směr: Točivé magnetické pole v třífázové soustavě se pohybuje po dráze kolem motoru podle konkrétní konfigurace vinutí a proudů jednotlivých fází. V případě změny v pořadí fází dojde ke změně směru otáčení motoru, ale o tom se teprve budeme bavit.
• Intenzita: Intenzita točivého magnetického pole je závislá na amplitudě a fázi jednotlivých proudů fází. Čím vyšší je intenzita, tím silnější je točivé pole, což znamená vyšší moment síly pro roztáčení motoru. Jinými slovy, čím více proudu vinutím prochází, tím silnější magnetické pole se vytvoří a tím větší síla působí na rotor a tím větší má motor výkon.
• Magnetická indukce: Magnetická indukce je spojena s hustotou magnetických siločar, které vytváří točivé pole. Vyšší magnetická indukce znamená větší sílu působící na rotor motoru a platí to samé jako u intenzity.

Točivé magnetické pole je klíčové pro roztáčení motorů, protože interakce tohoto pole s permanentními magnety nebo vinutím rotoru vytváří moment síly, který způsobuje otáčení rotoru.

V třífázových elektromotorech je točivé magnetické pole vytvářeno pomocí tří fází proudů, které jsou fázově posunuté o 120 stupňů, což vede k rovnoměrnému a efektivnímu roztáčení motoru.

Vlastně nejjednoduším způsobem jak lze vytvořit točivé magnetické pole, je obyčejným otáčením magnetu kolem své osy.

Přenos točivého magnetického pole na dálku

Nyní si zkusme vysvětlit jak lze točivé magnetické pole přenést na dálku, čili jak můžeme přenést točivý pohyb z generátoru do vzdáleného motoru.

Princip je pořád stejný... změna magnetického pole vytváří elektrický proud (generátor) a kolem vodiče, kterým prochází elektrický proud, se zase naopak vytváří magnetické pole (motor).

Představme si, že budeme otáčet magnetem kolem vlastní osy a že magnet bude umístěn mezi třemi cívkami. Tam, kde pól magnetu bude působit na cívku nejsilněji, čili že bude vinutí co nejblíže, bude proud největší. No a podle toho, jestli se bude jednat o severní nebo jižní pól magnetu se rozhodne, jakým směrem proud poteče.

Podívejme si blíže na obrázek výše a zkusme pochopit jak vzniká střídavý proud díky otáčení magnetu v generátoru.

• V prvním cyklu severní pól ukazuje na vinutí 1 a proud v L1 je největší (+). Jižní pól je naopak mezi vinutími 2 a 3 a proud v L2 a L3 je stejný (-).
• V druhém cyklu severní pól ukazuje mezi vinutí 1 a 2 a proud v L1 a L2 je stejný (+). Jižní pól je nejblíže vinutí 3 a proud v L3 je největší (-).
• Ve třetím cyklu severní pól ukazuje na vinutí 2 a proud v L2 je největší (+). Jižní pól je naopak mezi vinutími 3 a 1 a proud v L3 a L1 je stejný (-).
  
• Ve čtvrtém cyklu severní pól ukazuje mezi vinutí 2 a 3 a proud v L2 a L3 je stejný (+). Jižní pól je nejblíže vinutí 1 a proud v L1 je největší (-).
  
• V pátém cyklu severní pól ukazuje na vinutí 3 a proud v L3 je největší (+). Jižní pól je naopak mezi vinutími 1 a 2 a proud v L1 a L2 je stejný (-).
  
• V šestém cyklu severní pól ukazuje mezi vinutí 3 a 1 a proud v L3 a L1 je stejný (+). Jižní pól je nejblíže vinutí 2 a proud v L2 je největší (-).
  

Výše uvedeným způsobem nám vznikají ve vinutích tři nezávislé elektrické proudy, které také nazýváme jako tři fáze jednoho proudu.

Nyni již víme, jak střídavý proud ve vedení vzniká a zkusme si představit, že bychom ho skrze vedení poslali někam ke vzdálenému motoru.

Synchronní motor

K motoru opět přijdou tři fáze, které začnou na vinutích motoru vytvářet magnetické pole. Protože však špičky jednotlivých proudů nejdou souběžně, ale pěkně za sebou, tak nejprve se magnetické pole vytvoří a zanikne na vinutí 1, pak na vinutí 2 a nakonec na vinutí 3. No a tak pořád dokola. Tím dojde k vytvoření točivého magnetického pole v motoru. No a pokud by uprostřed byl zase magnet, tak by se začal točit v rytmu střídání proudů...

Protože jako rotor využíváme permanentní magnet, tak se motor bude otáčet stejnou rychlostí jako je frekvence sítě, čili se bude otáčet stejně rychle jako se točí generátor.​ V takovém případě motor nazýváme jako synchronní motor.

Asynchronní motor

V případě, že bychom permanentní magnet nahradili vodivou klecí, došlo by na základě indukce k vytvoření magnetického pole kolem této vodivé klece (kotvy na krátko) a ta by následně taky roztočila.

Nicméně klec v motoru by se nikdy netočila tak rychle jako generátor, ale mírně pomaleji. Takovému zpoždění se říká "skluz". V tomto případě nazýváme motor jako asynchronní motor.

Reverzace motoru...
... čili změna směru otáčení

Standardní směr otáčení motoru je pravotočivý a ten směr také nazýváme jako "smysl otáčení" nebo jako "sled fází". Pravotočivý směr otáčení motoru zajistíme správným sledem fází, kdy první fáze předchází druhou a druhá třetí.

To koneckonců vyplývá z obrázků z předchozí kapitoly. Pokud totiž největší magnetické pole nejprve vznikne na prvním vinutí, poté na druhém vinutí a konec až na třetím vinutí, bude se rotor otáčet směrem doprava.

Co když ale potřebujeme tento směr otočit a potřebujeme, aby se motor točil doleva? No samozřejmě by to šlo změnou otáčením rotoru v generátoru v elektrárně, ale to je poněkud nepraktické řešení. 

Dalším a mnohem praktičtějším způsobem je prohození první a třetí fáze, čili že na vinutí 1 zapojíme fázi L3 a na vinutí 3 zapojíme fázi L1.

Zkusme si to více rozvést... Proud z generátoru jde standardně v pravotočivém směru. První jde fáze L1, pak L2 a nakonec L3. Jenže my jsme fáze do motoru přehodili a proto se první vytvoří magnetické pole cívka 3, do které přichází fáze L1. Potom se zmagnetizuje cívka 2 a nakonec cívka 1, do které jde fáze L3.

Pořadí zmagnetizování vinutí v motoru tedy bude 3, 2, 1... rotor se proto začne točit doleva.

Více o reverzaci, ochraně proti zkratu a zapojení svorkovnice motoru naleznete v samostatném článku zde.