Servomotor zkráceně Servo je motor pro pohony (většinou elektrické ale existují také hydraulická, pneumatická či dokonce parní serva), u kterých lze na rozdíl od běžného motoru nastavit přesnou polohu natočení osy. Ovládají se jím například posuvy u CNC strojů, nastavení čtecí hlavičky u pevného disku. Všechny RC (Radio control) modely používají malá modelářská serva.

Elektrické servomotory jsou řízeny prakticky výhradně tranzistorovými měniči s pulzní šířkovou modulací.

Poloha hřídele servomotoru je zjišťována elektricky pomocí fotoelektrického snímače (encoder) nebo pomocí rozkladače (selsynu). Pro levné aplikace lze použít optické snímání pomocí kódového kotoučku či proužku. Nedoporučuje se potenciometr.

Signál snímače polohy je přiveden pomocí zpětné vazby na regulátor, který porovnává skutečnou polohu motoru s žádanou polohou. Na základě rozdílu žádané a skutečné polohy regulátor (často velmi složitý) řídí měnič a tak nastavuje motor na žádanou polohu.

Střídavé servomotory (AC) jsou dnes nejpoužívanější typ servomotorů. Jsou to synchronní motory (bez kartáčů) s permanentními magnety na rotoru a třífázovým vinutím ve statoru. Dnešní konstrukce motorů používají permanentní magnety na bázi vzácných zemin (nejčastěji typ neodym – železo – bór). Motory lze několikanásobně momentově přetížit a proto jsou vhodné pro dynamicky náročné úlohy

Elektrodynamická brzda je zvláštní technické zařízení, které mění akumulovanou energii na elektrickou a tepelnou energii a tím ji maří. Připojený stroj je brzděn, čímž je regulována jeho rychlost.

Nejčastěji je využívána u kolových dopravních prostředků: lokomotiv, trolejbusů ale i některých autobusů a kamiónů. Může ale brzdit i dopravníkové pásy či jiná stacionární zařízení. Významné je i její užití u měřících přístrojů pro testy motorů.

V principu může být elektrodynamickou brzdou každý elektrický generátor resp. dynamo či alternátor. Obvykle se ale jako specializovaná brzda nepoužívá. Jako elektrodynamická brzda může totiž sloužit i elektromotor či elektromagnet.

• U stejnosměrného sériového motoru stačí otočit zapojení kotvy, nebo buzení a připojit spotřebič. Vznikne tak pozitivní zpětná vazba, motor se nabudí, spotřebič začne elektrickou energii odebírat a motor působí proti směru pohybu. Této možnosti se využívá především u historických vozů. V novějších strojích se používá častěji principu cize buzeného generátoru, kdy buzení a kotva nejsou zapojeny v jednom obvodu. Do buzení se dodává nejčastěji elektrická energie prostřednictvím napájecí troleje (nebo elektrického generátoru) a kotva je zdrojem elektrické energie, která se pak nevratně maří v odpornících, kde je přeměňována na ztrátové teplo
• Třífázový asynchronní motor začne vyrábět proud pokud úhlová rychlost točivého magnetického pole je menší než úhlová rychlost kotvy. Kotva se pak snaží přiblížit své otáčky točivému poli a opět působí proti pohybu. Takto vyrobená elektrická energie se pak buď opět nevratně maří na ztrátové teplo v elektrických odpornících, nebo se opět zužitkovává (rekuperací) elektrické energie zpět do napájecí soustavy.
• Elektrodynamická brzda odporová, tento typ elektrických brzd se používá u trakčních vozidel dopravních prostředků, poháněných stejnosměrnými elektromotory. Například u elektrických a dieselelektrických lokomotiv, tramvají, vozů metra a trolejbusů. Pokud je u daného dopravního prostředku využita odporová regulace výkonu, obvykle se k maření elektrického proudu využívají rozjezdové odporníky, což znamená, že při rozjezdu i při brzdění vozidla ( tj. při řízeném zrychlování či zpomalování vozidla ) se energie nevratně maří na ztrátové teplo v tomtéž zařízení.
• Elektromagnetická brzda se používá zejména při provozu tramvají coby nouzová bezpečností brzda pro rychlé zastavení pohybu vozidla. Vlastní brzdný účinek zde vyvíjí velký elektromagnet umístěný na podvozku vozidla nad kolejnicí, elektromagnet je přitahován přímo ke kolejím, v železničním provozu se tento typ brzdy nepoužívá
• Dalším systémem jsou brzdy pracující na principu vířivých proudů. Taková brzda se skládá z kovového kotouče a elektromagnetů. Kotouč rotuje v magnetickém poli, tím v něm vznikají proudy, které v něm také zanikají a tím jej zahřívají. Brzdný účinek lze regulovat intenzitou magnetického pole, to znamená velikostí proudu v elektromagnetech.

Elektrodynamická brzda má brzdnou sílu závislou přibližně na druhé mocnině rychlosti. Znamená to, že při malých rychlostech vozidla je její účinek prakticky nulový. Naopak při vysokých rychlostech je její účinek velmi vysoký. V praxi bývají elektrické brzdy kombinovány obvykle kombinuje s brzdami mechanickými (jejíž brzdná síla je prakticky nezávislá na rychlosti). Elektrické brzdy mohou být doplněny regulací (u nejnovějších konstrukčních řešení se jedná o regulaci elektronickou).

Dynamo je točivý elektrický stroj, přeměňující mechanickou energii z rotoru hnacího stroje na elektrickou energii ve formě stejnosměrného elektrického proudu. Jedná se o stejnosměrný generátor elektrické energie.

Dynamo se skládá ze statoru tvořeného magnetem nebo elektromagnetem a rotoru s vinutím a komutátorem.

Až do nástupu polovodičových usměrňovačů bylo dynamo nejvýznamnějším zdrojem elektrické energie (ve formě stejnosměrného proudu) v průmyslu i dopravě. Dnes jsou dynama vytlačována spolehlivějšími a konstrukčně jednoduššími alternátory a zařízeními pro následné usměrnění vyrobeného střídavého proudu na proud stejnosměrný – viz (usměrňovač).

Podle způsobu zapojení statoru dělíme dynama na:

• dynamo s permanentním magnetem
• dynamo s cizím buzením – typicky v průmyslové výrobě elektrického proudu. Budící proud zajišťovalo jiné menší dynamo
• derivační dynamo (budící vinutí zapojeno paralelně se zátěží) – vhodné pro malé proudové odběry
• sériové dynamo (budící vinutí zapojeno sériově se zátěží)
• kompaudní dynamo – kombinace derivačního a sériového dynama. Jednalo se o běžný typ v dopravě a u strojů, kde je velmi proměnlivá zátěž. Sériové vinutí statoru zajišťuje dostatečné buzení při malé impedanci zátěže, derivační vinutí při velké impedanci.

U dynam, která nemají cizí buzení nebo permanentní magnet, může nastat problém s jejich rozjezdem. Dokud dynamo nevyrábí proud, není samo buzeno, a tudíž ani nemůže začít vyrábět proud. Při prvním rozjezdu je tedy třeba dodat rotujícímu dynamu malý proudový impuls, později se už lze obvykle spolehnout na remanentní (zbytkový) magnetismus statoru.

Elektromotor je elektrický točivý stroj, měnící elektrickou energii na mechanickou práci. Opačnou přeměnu, tedy změnu mechanické práce na elektrickou energii, provádí generátor např. dynamo, či alternátor. Často bývají tato zařízení velmi podobná či zcela identická (až na některé drobné konstrukční detaily).

Většina elektromotorů pracuje na elektromagnetickém principu, ale existují i motory založené na jiných elektromechanických jevech jako jsou elektrostatické síly, piezoelektrický efekt či tepelné účinky průchodu elektrického proudu. Základním principem, na němž jsou elektromagnetické motory založeny, je vzájemné silové působení elektromagnetických polí vytvářených elektrickými obvody, kterými protéká elektrický proud. Tuto sílu popisuje Lorentzův zákon síly.

V běžném rotačním motoru je umístěn rotor tak, aby magnetické pole vytvářené ve vodičích rotoru a magnetické pole statoru vyvíjely kroutící moment přenášený na rotor stroje. Tento kroutící moment pak způsobuje kýženou rotaci otáčivé části stroje – rotoru, motor se točí a vykonává mechanickou práci.

Většina běžných elektrických motorů je konstruována na rotačním principu, ale existují i netočivé varianty elektromotorů, například lineární elektromotor, kdy rotor stroje tvoří statický pás umístěný podél pojezdové dráhy stroje (rotor je jakoby rozvinut do délky a neotáčí se). Tento druh motorů se v technické praxi používá zejména pro některá speciální dopravní zařízení. V elektrickém točivém stroji se rotující část stroje nachází obvykle uvnitř, nazývá se podle své základní funkce rotor. Statická netočivá ( t.j. pevná ) část stroje se podle své funkce nazývá stator. Stejnosměrný elektromotor může obsahovat pevně spojenou sadu elektromagnetů umístěných obvykle na rotoru, u střídavých asynchronních elektromotorů (nejběžnější typ elektromotoru vůbec) mívá rotor jiné konstrukční uspořádání, obvykle se jedná o zvláštní elektrický obvod ve formě vodivé klece ve spojení nakrátko. Rám elektromotoru se zastarale nazývá kotva, jde však o nesprávné použití termínu. Jako „kotva“ má být označována ta část elektromotoru, která koná práci, nebo ta část elektrického generátoru, přes kterou se generuje výstupní napětí. Podle typu motoru může jako kotva sloužit rotor i stator. Termín je zastaralý a vlastně i dost zavádějící, neboť z obecného hlediska práci provádí vždy celý stroj jakožto celek, nikoliv jen jedna jeho část.

Motory na stejnosměrný proud

Jeden z prvních rotačních elektromotorů, možná i vůbec první, vynalezl Michael Faraday v roce 1821. Motor se skládal z volně zavěšeného drátu ponořeného do nádrže rtuti. Ve středu nádrže byl umístěn permanentní magnet. Elektrický proud procházel drátem, drát rotující kolem magnetu pak prokazoval, že proud vytvořil otáčivé magnetické pole kolem drátu.

Moderní motor na stejnosměrný proud byl náhodně objeven v roce 1873, když Zénobe Gramme vodivě spojil roztočené dynamo s druhým stojícím dynamem, z něhož se tím stal napájený motor.

Motor s permanentním magnetem

Nejjednodušší motor na stejnosměrný proud má stator tvořený permanentním magnetem a rotující kotvu ve formě elektromagnetu s dvěma póly. Rotační přepínač zvaný komutátor mění směr elektrického proudu a polaritu magnetického pole procházejícího kotvou dvakrát během každé otáčky. Tím zajistí, že síla působící na póly rotoru má stále stejný směr. V okamžiku přepnutí polarity udržuje běh tohoto motoru ve správném směru setrvačnost. (Principielně se tento motor trochu podobá střídavému synchronnímu motoru, kde rotační přepínání směru proudu a jím vytvářeného magnetického pole zajišťuje sama elektrorozvodná síť.)

Motory s permanentním magnetem se dodnes využívají například v modelářství. Jen kotva je obvykle minimálně třípólová, aby nevznikal problém s mrtvým úhlem motoru. Výhodou motoru s permanentním magnetem je možnost snadno měnit směr otáčení polaritou vstupního napětí.

Komutátor zajistí, že se v cívce změní směr proudu + a – (- a +) po každém pootočení o 180° (u dvoupólového motoru). Takto dochází ke změně směru indukčních siločar v cívce.

Funkce stejnosměrného motoru

Rotor (kotva) je přes oranžový komutátor připojen ke zdroji stejnosměrného napětí. Stator je tvořen dvěma velkými permanentními magnety.
Vzhledem k polaritě statoru a rotoru se souhlasné póly (barvy) odpuzují a rotor se otáčí.
Opačné póly se přitahují, rotor se stále otáčí. V okamžiku, kdy se rotor dostane do vodorovné polohy, dojde na komutátoru k přepnutí polarity magnetického pole rotoru.

Obecné vlastnosti stejnosměrných motorů

Rychlost motoru na stejnosměrný proud obecně závisí na velikosti napětí a proudu procházejících vinutím motoru a na zátěži neboli velikosti brzdného momentu. Rychlost motoru při daném brzdném momentu je úměrná napětí a točivý moment je úměrný proudu. Rychlost motoru lze regulovat změnou vstupního napětí.

Výhodou stejnosměrných motorů je relativní jednoduchost a univerzálnost využití. Sériový a derivační motor mohou fungovat nejen na stejnosměrný, ale i střídavý proud nízkých frekvencí. Jsou to tedy motory univerzální. Další výhodou proti motorům střídavým je možnost dosáhnout libovolných mechanicky dosažitelných otáček (motory na střídavý proud mají obvykle otáčky omezeny frekvencí sítě – 50Hz = 3000 ot/min). Proto tyto motory nacházejí uplatnění v takových strojích, jako jsou vrtačky, mixéry, ale třeba i automobily a dopravní zařízení s elektrickou trakcí (např. lokomotivy, trolejbusy, tramvaje či vozy metra).

Největší nevýhodou stejnosměrných motorů je existence komutátoru. Je to mechanický přepínač, který spíná velké proudy a je — kromě náchylnosti k poruchám — náročný na údržbu a seřízení, jedná se o mechanicky poměrně značně namáhané zařízení vyžadující pravidelnou údržbu či výměnu některých jeho součástí. Jiskření na kartáčcích (tvořených obvykle bloky čistého uhlíku) je zdrojem významného elektromagnetického rušení. S rozvojem levnější a spolehlivější silnoproudé elektroniky (tedy zejména výkonovými tyristory a tranzistory) jsou proto stejnosměrné motory postupně vytlačovány motory s rotujícím magnetickým polem buzeným elektronicky.

U sériových a derivačních motorů nelze změnit směr otáčení pouhým přepólováním napájecího napětí celého motoru – protože by došlo k přepólování statoru i rotoru, směr otáčení by zůstal zachován. Pro změnu směru je třeba přepólovat jen stator nebo jenom rotor.

Motory na střídavý proud

Synchronní

Synchronní motor je v principu obrácený generátor střídavého proudu. Rotor je tvořen magnetem nebo elektromagnetem, stator, na nějž je přiveden střídavý proud, vytváří pulzní nebo častěji rotující magnetické pole. Rotor se snaží udržet polohu souhlasící s tímto polem. Magnet umístěný v rotoru se snaží uchovat si svoji konstantní polohu vůči otáčivému magnetickému poli vyvářenému průchodem střídavého proudu ve statoru.

Synchronní motory mají řadu nevýhod – je třeba je roztočit na pracovní otáčky jiným strojem nebo pomocným asynchronním rozběhovým vinutím, pokud pod zátěží ztratí synchronizaci s rotujícím polem, skokově klesne jejich výkon a zastaví se. Proto jsou využívány jen ve speciálních případech (např. pohon gramofonu, kdy jsou nevýhody vyváženy požadavkem na pravidelnost otáček o celočíselném násobku frekvence elektrické sítě (za předpokladu, že frekvence napájecí sítě je skutečně konstantní). Ze synchronního motoru se vyvinul krokový motor a střídavý servomotor.

Asynchronní

Asynchronní motor má proti synchronnímu jinou konstrukci rotoru. Rotor se obvykle skládá ze sady vodivých tyčí, uspořádaných do tvaru válcové klece. Tyče jsou na koncích vodivě spojeny a rotor se pak nazývá „kotva nakrátko“. U stojícího motoru rotující magnetické pole statoru indukuje v tyčích rotoru elektrické proudy, které vytváří své vlastní elektromagnetické pole. Obě magnetická pole (rotoru a statoru) pak spolu navzájem reagují a vzniká tak elektromotorická síla. Otáčky rotoru vzrůstají. Tím, jak se přibližují otáčky rotoru otáčkám magnetického pole, klesají indukované proudy a intenzita jimi vytvářeného pole, klesají tím i otáčky rotoru a tím i točivý moment motoru. Pokud je motor alespoň minimálně zatížen, nikdy nedosáhne otáček daných frekvencí napájecího proudu ( není s ní nikdy synchronní – proto se nazývá asynchronní motor).

Tento druh motoru je v praxi nejběžnější, využívá v mnoha oblastech průmyslu, dopravy i v domácnostech. Jeho výkon se pohybuje od stovek wattů až do mnoha set kilowattů. S rozvojem levných a výkonných elektronických řídicích systémů nahrazuje postupně tento druh motoru sériový elektromotor, užívaný zejména v pohonech určených pro elektrickou trakci ( kolejová vozidla a trolejbusy ). Asynchronními elektromotory jsou vybaveny i moderní rychlovlaky známé z našich železničních tratí pod názvem Pendolino.