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.