POHYBOVÉ MECHANISMY ELEKTROMAGNETY Nejjednodušší akční členy, převádějící energii elektrickou na mechanickou jsou stejnosměrné elektromagnety. Každý pohybový elektromagnet má pevnou část, jho (jádro) s budicí cívkou a pohyblivou část, kotvu. Elektrický proud protékající vinutím cívky vytváří magnetický tok, v jehož důsledku vzniká síla působící na kotvu. Průběh závislosti síly na poloze kotvy závisí na konstrukci elektromagnetu. Podstatné je, zda síla vzniká působením podélného tahu, příčného tlaku nebo jejich kombinací. Elektromagnety s podélným tahem (síla působí podél magnetických siločar - obr. 1) jsou vhodné pro malé zdvihy kotvy a velké síly. Nárůst síly se zmenšující se vzduchovou mezerou je přibližně kvadratický. Při konstantním proudu je průběh síly v závislosti na zdvihu kotvy na obr. 1. Obr. 1 Konstrukce a charakteristika elektromagnetu s podélným tahem teoretická přerušovaně, skutečná plně Na obrázku 2 je uspořádání stejnosměrného elektromagnetu s využitím příčného tlaku (kotva se pohybuje napříč k siločarám magnetického pole). Kotva zde musí být vedena v nemagnetických vložkách, zabraňujících přímému styku s póly. Tyto elektromagnety jsou vhodné pro větší zdvihy a menší síly. Přítažná síla nezávisí na poloze kotvy. Na obrázku 2 je čárkovaně vyznačen teoretický průběh síly a skutečný průběh je vyznačen plně. Obr. 2 Konstrukce elektromagnetu s příčným tlakem a jeho charakteristika
Na obrázku 3a, b jsou elektromagnety s příčným tlakem. Provedení a je s dvojicí stálých vzduchových mezer, provedení b s jednou mezerou stálou a druhou proměnlivou. Obr. 3 Elektromagnety s příčným tlakem Typický stejnosměrný elektromagnet s kombinací podélného tahu a příčného tlaku je na obr. 4. Tvar pólů je obvykle kuželovitý. Táhlo je vedeno v nemagnetických vložkách a kotva je držena ve výchozí poloze pružinou. Silová charakteristika je na obr. 4. Tento typ elektromagnetu se vyznačuje velkou přítažnou silou a poměrně velkým zdvihem a proto se velmi často využívá u spouštěčů k zasouvání pastorku do záběru nebo k ovládám ventilů vzduchových a kapalinových zařízení. Obr. 4 Konstrukce a charakteristika kombinovaného elektromagnetu K ovládání přenosu točivého momentu ze vstupního hřídele na hřídel výstupní se používají elektromagnetické spojky, např. k ovládání kompresoru klimatizace. Příklad elektromagnetické kotoučové spojky je na obr. 5. Na vstupním hřídeli, řemenici, je těleso spojky 1 s budicí cívkou 2. Kotouč 3 je posuvně veden drážkováním 4 na výstupním hřídeli a tvoří kotvu elektromagnetu. Je-li přiveden přes kartáč 5 stejnosměrný proud do budicí cívky, uzavře se magnetický tok přes
vzduchovou mezeru a kotouč, který přitlačí k tělesu spojky obložení 6, mechanicky propojí oba hřídele. Po přerušení přívodu proudu vrátí pružina 7 kotouč zpět do výchozí polohy. Obr. 5 Elektromagnetická kotoučová spojka Elektromagnetické houkačky Elektromagnetická houkačka sice není typický pohybový mechanismus, ale pracuje na principu elektromagnetu, proto se o něm zmiňujeme na tomto místě. Obr. 6 Elektromagnetická vibrační houkačka Obvyklým typem je houkačka vibrační s kmitající membránou, znázorněná schematicky na obr. 6. Proud se přivádí do elektromagnetu 1 přes pohyblivý kontakt Kl a pevný kontakt K2. Silovým působením elektromagnetu je přitažena kotva 2 zavěšená na kruhové membráně 3. Tím dojde k rozpojení kontaktů a kotva se vrátí pružností membrány do výchozího stavu. Tento děj se opakuje. Základní kmitočet kotvy s membránou bývá 200 až 700 Hz. Tón houkačky lze v určitém rozmezí nastavovat dorazovým šroubem, omezujícím zdvih kotvy a tlakem pružiny na kontakt Kl, který lze opět měnit seřizovacím šroubem. Před membránou je upevněna ozvučná deska, která se rozkmitává nárazy kotvy na jádro elektromagnetu. Nejsilnější a nejčistší zvuk vzniká, je-li vlastní kmitočet ozvučné desky násobkem základního kmitočtu systému. Mechanismy ovládané elektromagnety jsou např. systémy vyklápění světel, otevírání kapoty, palivové nádrže nebo zasouvání pastorku spouštěče do záběru.
ELEKTROMOTORY Celá řada nejrůznějších zařízení v motorových vozidlech je poháněna malými elektrickými motory, elektromotorky, převážně stejnosměrnými s buzením trvalým (permanentním) magnetem. Původně byla konstrukce stejnosměrných motorků prakticky shodná s konstrukcí dynam. Stator byl tvořen pólovými nástavci s budicím vinutím, připojeným paralelně k rotoru. Rotory stejnosměrných strojů (dynam a elektromotorů) se konstrukčně nijak neliší. Do drážek rotoru, složeného z dynamových plechů pevně naražených na hřídeli, jsou uloženy vodiče jednotlivých cívek. Začátek jedné cívky a konec další je připojen vždy na jednu společnou lamelu komutátoru. Všechny cívky jsou tak přes vzájemně izolované lamely komutátoru propojeny a tvoří uzavřený obvod. Na komutátor pevně nasazený na jednom konci hřídele rotoru dosedají uhlíkové kartáče, kterými se do rotoru přivádí proud. Elektromotorky buzené permanentním magnetem mají stejné vlastnosti jako motorky s paralelním buzením. Jejich charakteristika je tvrdá", což znamená, že otáčky motorku jen málo klesají s jeho zatížením. Obr. 7 Schéma zapojení stejnosměrného elektromotorku s rezistorem pro snížení otáček motorku Otáčky lze určit ze vztahu: kde U je napájecí napětí, I protékající proud, C konstanta stejnosměrného stroje, φ magnetický tok vytvářený statorem a R a činný odpor rotoru R P předřadný odpor R = R a + R P n = (U - RI )/Cφ Ze vztahu je zřejmé, že otáčky klesají jen v důsledku úbytku napětí na odporu R a, neboť ostatní veličiny jsou téměř konstantní. Otáčky lze tedy měnit: a) změnou napájecího napětí U, b) změnou odporu v obvodu rotoru R a, c) změnou magnetického toku φ. U motorků s permanentními magnety nelze magnetický tok měnit, takže poslední možnost zůstává pouze pro motorky s paralelním buzením. Vhodný způsob změny otáček pro motorek s permanentními magnety je proto zařazení rezistoru R P vhodné velikosti do obvodu rotoru. Možnosti snižování otáček motorku snižováním napájecího napětí je u motorových vozidel obtížné, protože napětí v soustavě je udržováno konstantní, odpovídající napětí akumulátoru. Pro účely regulace otáček motorku lze napětí vhodně snižovat např. bezkontaktním elektronickým spínačem, kterým se přerušuje proud přiváděný do motorku. Frekvence spínání a rozepínání proudu do motorku bývá několik set Hz. Tímto způsobem se sníží i střední hodnota napětí a jí úměrně i otáčky motorku.
Nejběžnějším způsobem změny otáček stejnosměrného elektromotorku je konstrukce s tzv. třetím" kartáčem, jejíž schéma zapojení je na obr. 8. Obr. 8 Schéma zapojení regulace otáček elektromotorku s třetím kartáčem Je-li přepínač v poloze A, je rotor motorku napájen přes kartáče 1 a 2 a jeho otáčky jsou jmenovité. V poloze přepínače B je napájení přes kartáče 1 a 3, takže napětí se přivádí na menší počet cívek rotoru, který se tak otáčí rychleji. Takto provedené motorky se často používají k pohonu stíračů skel nebo u ventilátorů topení a větrání. Převodové elektromotorky Pro pohon některých zařízení se vyžaduje velký točivý moment a poměrně malé otáčky. Těmto požadavkům dobře vyhovují elektromotorky s vestavěnou převodovkou planetovou, šnekovou nebo jinou. Typickým příkladem je motorek, používaný k pohonu stíračů skla. Součástí převodového mechanismu je i tzv. doběhový" kontakt, umožňující zapojení zaručující doběh a zastavení ramének stírače v krajní poloze, bez ohledu na okamžik vypnutí hlavního obvodu motorku. Aby nemohlo dojít k překmitnutí krajní polohy setrvačností a tím k opětovnému sepnutí tohoto kontaktu, je motorek v koncové poloze mechanismu elektricky bržděn. Stíračový motorek musí být proto ovládán přepínačem, který v poloze vypnuto" přerušuje přívod proudu do motorku, ale současně spojuje obvod rotoru přes doběhový kontakt do krátka". V rotoru motorku, který se po vypnutí proudu ještě pohybuje setrvačností, se indukuje proud a vzniklá energie se maří v odporech rotoru a přívodních vodičů, čímž dochází k intenzivnímu brždění otáčení rotoru. Další typy elektromotorů Obr. 9 Schéma zapojení stíračového motorku Dalším zajímavým netradičním elektromotorkem je konstrukce s elektronickým komutátorem, znázorněná na obr. 10. Odpadá zde nejčastější zdroj poruch, komutátor a uhlíkové kartáče. Výkonová část je tvořena budicími cívkami na statoru a permanentním magnetem na rotoru. Motorek má ještě dva indukční snímače polohy, kterými se ovládá elektronická řídicí část. Pohybem rotoru se ve snímačích indukuje řídicí napětí, které otvírá nebo zavírá tranzistory T 1 a T 2. Střídavě tak prochází proud cívkou 1 nebo 2 a motor se plynule otáčí.
Obr. 10 Schéma uspořádání bezkontaktního stejnosměrného motorku 1 a 2 budící cívky, 3 permanentní magnet, 4 a 5 snímače polohy, 6 elektronická řídicí část Jako ovládací servomotor se stále častěji používají krokové motorky. Podle principu činnosti jde o elektronicky řízený, synchronní elektromotor, neboť jeho rotor se otáčí shodně s frekvencí řídicích pulsů, přiváděných na vinutí statoru. Nejčastěji se používají reakční krokové motorky třífázové s více zuby na každém z pólů. Na obrázku 11 je naznačen princip činnosti. Na magnetickém obvodu, složeném z plechů, jsou navinuty tři páry cívek. Každý pár je spojen do série a má začátek označen A, B, C a konec AO, BO, CO. Jednotlivé fáze jsou postupně připojovány bezkontaktními spínači (tranzistory) na zdroj stejnosměrného proudu. Je-li přiveden proud do fáze A, vybudí se v cívkách 1 a 2 magnetický tok, uzavírající se přes zuby statoru a rotoru. Každá dvojice proti sobě ležících zubů vytváří sílu, pootáčející rotorem o určitý úhel (krok). Dá se říci, že každá cívka pracuje jako elektromagnet, který přivedením proudu pootočí (vtáhne) rotor svým magnetickým polem o jeden krok. Postupně, v určité časové posloupnosti, je přiváděn proud do dalších fází, což vede k otáčení rotoru. Podle počtu přivedených pulsů vykoná rotor příslušný počet kroků a tak se otočí o přesně definovaný úhel. Smysl otáčení rotoru je určen pořadím připojovaných fází. Elektrické schéma je na obr. 12. Elektronická jednotka spíná postupně výkonové tranzistory, přes které je napájeno statorové vinutí motorku. Protože počtem přivedených impulzů je přesně definován počet kroků a úhel pootočení, používají se tyto typy elektromotorů pro tzv. servomechanizmy. Typickým příkladem je ovládání škrticí klapky v sacím potrubí. Obr. 11 Třífázový reakční krokový motorek 1 a 2 ovládací cívky (fáze A), 3 a 4 póly (fáze B). Časová posloupnost proudů v cívkách A, B, C. α K úhel natočení hřídele krok
Obr. 12 Schéma zapojení třífázového krokového motorku s ovládacími obvody 1 elektronický komutátor, 2, 3 a 4 výkonové spínací tranzistory, 5 statorové vinutí Příklady pohybových mechanizmů Ovládaní oken K elektromechanickému ovládání spouštěcích skel dveří nebo bočních oken u osobních a užitkových automobilů se používají téměř výhradně tři hlavní systémy podle obr. 13. Rozhodujícím kritériem volby systému jsou využitelné zastavovací rozměry. Nejrozšířenější je provedení první, kde šnekové ozubené kolo na hřídeli elektromotorku zabírá přímo do ozubeného segmentu, jehož úhlový, kývavý pohyb je převáděn pákovým mechanismem přímo na kulisu ovládaného skla okna. V druhém případě pohání elektromotorek s převodem do pomalá hnací váleček nekonečného lankového mechanismu. Odvíjením a navíjením lanka na váleček se dosahuje přímočarého vratného pohybu lanka v jeho určité délce, která je využita k pohybu skla okna. Poslední systém tvoří ohebná článková tyč, schopná přenášet síly tahu i tlaku, která je ovládána elektromotorkem s převodem do pomalá, jehož pastorek zapadá do ozubeného hřebene konce tyče. Omezený prostor vede ke konstrukci co nejmenších elektromotorků i s převodovkami, které jsou většinou šnekové, samosvorné. Znamená to, že sklo se v kterékoliv mezipoloze nemůže samovolně posunout. Samosvornost mechanismu zabraňuje i násilnému stlačení skla. Všechny systémy se ovládají dvojitým přepínačem spínajícím vázaně obvody pro oba směry, tj. pro spouštění nebo zdvihám skla. Krajní polohy jistí buď jednoduché koncové, kontaktní spínače nebo jsou jištěny elektronicky podle velikosti síly působící v mechanismu. Obr. 13 Elektromechanismy spouštění skel oken (obrázek fy Bosch): Systém 1 mechanismus s ozubeným a pákovým převodem Systém 2 mechanismus s kladkovým převodem a lankem Systém 3 mechanismus s článkovou vzpěrou 1 elektromotor s převodem, 2 lišta skla, 3 vodící lišta, 4 pákový mechanismus, 5 lanko, 6 článková vzpěra
Nejdokonalejší používané systémy ovládání oken jsou propojeny i se systémem centrálního ovládání zámků tak, že po opuštění vozidla a jeho dálkovém uzamknutí se zajistí všechny zámky a podle předvolby i uzavřou okna Ovládání střechy Moderní systémy ovládání střechy, přesněji její části, střešního dílu, slučují funkce střechy vyklápěcí a posuvné. Vlastní pohybový mechanismus je buď s lankovým převodem nebo s ohebnou tyčí, podobně jako u oken, a s elektromotorkem s permanentním magnetem a šnekovou převodovkou. Elektromechanické nastavování sedadla Elektrické přestavení sedadla umožňuje motorické nastaveni požadované polohy sedadla, tzn. nastaveni výšky sedáku a vzdálenosti od pedálů,.sklon sedáku a opěradla jako i výšku opěrek hlavy. Programovatelné přestavování sedadel ukládá do paměti nastavení specifické pro určitou osobu a umožňuje jeho vyvolání. Programovatelné elektrické seřízení sedadla jako rozšiřovací stupeň umožňuje uložení nastavených poloh sedadla a opakované vyvolání dříve uložených poloh sedadla. Zpětné hlášení polohy probíhá přes potenciometry nebo snímače. Tyto hlásí zpětně okamžitou polohu sedadla, opěradla nebo opěrky hlavy na řídicí jednotku. Přes tranzistorové koncové stupně a relé se servomotory aktivují tak dlouho, až zpětně hlášená poloha souhlasí s polohou uloženou v paměti. Elektromechanicky seřiditelná sedadla jsou výhodná u vozidel, na kterých se střídá větší počet řidičů, kdy pro každého lze nastavit optimální polohu, uloženou případně v paměti řídicí jednotky. U jednoho sedadla zajišťuje nastavení polohy sedáku a opěradla až pět elektromotorků uvedenými funkcemi: podélné nastavení polohy celého sedadla, nastavení výšky sedáku vpředu, nastavení výšky sedáku vzadu, nastavem sklonu opěradla, nastavení výšky opěrky hlavy. Obr. 14 Elektromechanické seřízení sedadla: 1 - vyklenutí opěradla 2 - úhlové přestavení opěradla 3 - hloubkové přestavení sedáku 4 - výškové přestavení opěrky hlavy 5 - výškové přestavení sedadla 6- podélné přestavení sedadla
Elektricky ovládaná vnější zrcátka K zajištění výhledu dozadu slouží vnitřní a vnější zpětná zrcátka. Montáž vnějšího zpětného zrcátka osobního automobilu je na obr. 15. Pro zvýšení komfortu se místo ručního ovládání používá ovládání elektrické. Elektrické vyhřívání zrcadlového skla zamezuje orosení či pokrytí zrcadla námrazou. Obr. 7.9 Uspořádání elektricky stavitelného vnějšího zrcátka: 1 - stavěcí šroub s čepem 2 - šnekové kolo 3 - redukční ozubené kolo 4 - motor pro vodorovné přestavení 5 - redukční ozubené kolo 6 - sklápěcí mechanismus 7 - šnekové kolo 8 - stavěcí šroub s čepem 9 - motor pro svislé přestavení Elektronické nastavení zrcátek bývá u dokonalejších systémů spřaženo s automatickým nastavením sedadla, kdy stlačením jednoho tlačítka se automaticky z paměti vybere konkrétní nastavení jak sedadla, tak zrcátek.