Vezměme si příklad, který není nijak neobvyklý. Máme dvoukolový podvozek s pohonem obou kol stejnosměrnými motory. Kola jsou stejná, pohonné jednotky také. Spojíme paralelně napájení obou pohonů tak, aby podvozek jel vpřed. Připojíme vhodné napětí a zkusíme jízdu. Je téměř jisté, že podvozek nepojede rovně, i když by teoreticky měl.
Řekněme, že zatáčí mírně vlevo. To není nic divného, motory se mohou trochu lišit ve svých vlastnostech, jeden z nich může být „silnější“ nebo má naopak větší tření převodovka, kolo může být měkčí, možných vlivů je více. Takže zkusíme oba motory prohodit. Logicky vzato ten slabší se nyní dostal na druhou stranu a za ním by měl podvozek zatáčet. Jenže ono to možná dopadne úplně jinak, podvozek bude naprosto stejně jako při prvním pokusu zatáčet vlevo a zhruba se stejným poloměrem. Jak je možné, že na směr zatáčení nemělo prohození motorů vliv? Předpokládáme, že podvozek je postavený rovně, ne křivý jako turecká šavle.
Typický podvozek, kterého se náš případ týká
Stejnosměrné motory často nejsou konstruovány jako symetrické. Když otočíme polaritu napájení, budou se sice točit obráceně a dají se takto použít, ale jejich vlastnosti nejsou v obou směrech stejné. První asymetrie vyplývá už třeba z konstrukce komutátoru. Jsou-li v motoru použity ke kontaktu s komutátorem uhlíky vedené v šachtě kolmé na osu rotoru, chová se tento kontakt převážně symetricky, je jedno, na kterou stranu se rotor otáčí (malé rozdíly mohou být třeba v tom, jak jsou chodem zaoblené hrany kontaktů komutátoru).
Malé motory ale nemívají uhlíky, najdeme v nich kartáčky s pružného plechu. Kartáčky jsou uchycené na jedné straně, takže při jednom (preferovaném, předpokládaném, konstrukčním, …) směru otáčení jsou komutátorem taženy a klouzají po něm, při druhém směru otáčení jsou komutátorem tlačeny, a i když většinou pracují také dobře, přece jen kladou o něco větší odpor. Typicky se rozdíl výkonu při obou směrech otáčení, který do motoru vnese nesymetrický komutátor, vejde do 3%. Kartáčky na fotografii jsou opotřebením už tak „zmasakrované“, že při obráceném směru otáčení se (téměř jistě) vzpříčí.
Kartáčky malého stejnosměrného motoru (zde už hodně opotřebované)
To je ale jen jedna a málo podstatná asymetrie. Mnohem důležitější je nastavený „předstih“ elektromotoru. Tento termín se obvykle spojuje se spalovacími zážehovými motory. Co to vlastně je? Pokud by spalovací motor byl symetrický, došlo by k zapálení směsi jiskrou přesně když je píst v hodní úvrati. Jenže ono reálně nějakou dobu trvá, než se směs jiskrou zapálí, než shoří, než stoupne tlak ve válci. Když má tlak horkých plynů nejlepší podmínky konat práci, byl by už píst o kus dál, už by mu „utekla“ nejlepší poloha. Motor bez předstihu by také nějak běžel, ale s malým výkonem. Je žádoucí, aby k zážehu došlo o trochu dřív, ještě před horní úvratí pístu, aby až palivo shoří a tlak stoupne, byl píst právě už za úvratí, v optimální poloze. Předstih je úhel pootočení, o který je třeba posunout zážeh před horní úvrať. Takto by to stačilo vyjádřit, kdyby motor pracoval ve stále stejných otáčkách, protože se ale otáčky mění, je často lepší vyjádřit předstih jako čas, o který se musí zapálení posunout před dosažení horní úvrati.
U elektromotorů je podstata naprosto stejná, místo pohybu pístu máme otočení rotoru vůči orientaci magnetického pole statoru, u malých motorů je to vlastně vůči poli permanentních magnetů statoru. Předstih je úhel pootočení komutátoru, který zajistí, že k přepnutí proudu dojde dřív. Proč dřív? Protože proud je omezen mimo jiné indukčností vinutí a hned po přepnutí neteče v plné velikosti, dosáhne jí až časem (analogie doby hoření směsi).
Je-li elektromotor bez předstihu, bude se v obou směrech otáčet se stejnými vlastnostmi, ale bude mít ne zrovna dobrou účinnost. Zavedeme-li předstih, účinnost se v jednom (předpokládaném, vyznačeném, …) směru citelně zlepší, ale v druhém zase zhorší. A to je podstata věci. Značná část motorů je vyráběna s určeným smyslem otáčení a s určitým, alespoň minimálním předstihem pro tento směr, takže jejich vlastnosti při změně směru otáčení nejsou stejné.
V našem podvozku pracoval pravý motor se „správném“ režimu, levý obráceně, proto měl nižší výkon a podvozek točil vlevo. Když se motory prohodily, vlastně se nic nezměnilo. Aby měl podvozek podstatně větší šanci jezdit rovně, museli bychom buď mít oba motory symetrické, osadit na jednu stranu „levotočivý“ a na druhou“pravotočivý“ motor s opačným seřízením předstihu, nebo bychom museli stejné motory namontovat tak, aby při jízdě vpřed oba pracovaly ve správném režimu. To ale není často možné z mechanických důvodů.
Jak velký vůbec předstih elektromotorů je? Obecně čím je motor určený pro vyšší otáčky, tím větší. Běžně se pohybuje v jednotkách stupňů (typicky 3 – 5º), ale u speciálních motorů může být až v desítkách stupňů.
Dáse nějak předstih motoru změnit nebo nastavit? Většinou se změnit nedá bez poškození motoru, protože je nastaven ve výrobě pootočením a zalisováním zadního čela motoru proti plášti motoru. V plášti jsou pevně usazeny magnety starotu, zadní čelo nese držáky uhlíků (kartáčků). Na obrázku jsou magnety rozepřeny pérem, pokud je na druhé straně také péro, jde magnety pootočit vůči plášti a zadnímu víku, když je tam prolis a zarážka, pootočit jimi nelze.
Usazení feritových magnetů v malém motoru
U některých motorů, zejména průmyslových, najdeme na zadní straně prvky, jimiž je předstih nastavitelný. Na dalším obrázku je takový malý stejnosměrný elektromotor na 24V, který má vyznačený směr otáčení a polaritu napájení, seřízení předstihu v rozsahu asi ±10º se dá udělat po povolení šroubů a pootočení zadního čela proti plášti (proto jsou také napájecí vývody ve velkých oválných otvorech).
Nastavení předstihu u motoru z MEZ Náchod
Další obrázek ukazuje totéž v jiném provedení, výkonný modelářský motor VM-24/12 má na zadním čele (zadním dílu motoru) rysku, na těle je stupnice, seřízení se dá nastavit plynule na obě strany.
Stupnice a ryska pro seřízení motoru
Některé motory mají v plášti proti kraji zadního čela tři drážky, na čele je výstupek, který zapadne do jedné z nich. Podle natočení ve výrobě se pak motor nastaví jako levý, symetrický nebo pravý, a následně zalisuje. Uživatelská změna je mírně řečeno problematická. Mnoho levných stejnosměrných motorů se dělá s malým pevně nastaveným předstihem bez možnosti změny, přitom předpokládaný směr otáčení je ten, který odpovídá šipce na motoru nebo vyznačené polaritě napájení. Změna není možná, můžeme maximálně zjistit, že motor se chová různě v obou směrech, a tedy předstih má (není symetrický).
Na dalším obrázku je motor řady 300, který má pevné neutrální nastavení z výroby, navzdory tomu nastavit jde. Stačí lehce uvolnit 4 lisované spoje po obvodu, pak do kruhových otvorů zastrčit připravený klíč s kalenými trny, pootočit na jednu nebo druhou stranu a lehkým klepnutím ostrou hranou na čtyři původní úchyty opět čelo zaaretovat. Nepovede se to asi hned na prvním motoru, ale s cvikem lze tímto způsobem uvedené motory seřídit podle potřeby, i když výrobce je jako seřiditelné nedělal.
Motor řady 300 nastavit jde, i když to výrobce nezamýšlel
Střídavé (synchronní) motory (v malých rozměrech většinou modelářské) mají a musí mít předstih také, ale v tomto případě není určen mechanicky, ale čistě elektronicky vzájemnou polohou bodu elektronické komutace a polohy magnetů (výjimečně budicího vinutí). Práce s předstihem je tedy záležitostí „chytré“ elektroniky regulátoru a motor může mít stejné a optimální vlastnosti v obou směrech otáčení i při častém střídání, což jinak udělat nejde. U některých motorů (typicky s vnějším rotorem a pro vysoké otáčky) se používá předstih až kolem 30º.
Jak optimální předstih stejnosměrného motoru nastavit? Roztočíme motor v požadovaném směru s přiměřeným zatížením. Napájíme jej ze zdroje konstantního napětí, měříme odebíraný proud a otáčky. Začneme pomalu posunovat časování motoru proti smyslu otáček. Otáčky stoupají a roste i příkon (proud), poté přestanou otáčky růst a roste už jen proud. Vrátíme se do bodu, kdy otáčky přestaly růst (nebo velmi těsně před něj) a polohu zaaretujeme. Typický úhel bývá 10 až 15º proti neutrálnímu motoru.
Jak velký je vliv správného nebo nesprávného předstihu? Proti neutrálně nastavenému malému stejnosměrnému motoru s permanentními magnety dokáže správně nastavený předstih získat kolem 10% účinnosti. Stejný předstih ale při opačném směru otáčení zhruba o 10% účinnost zhorší. Takže když máme oba motory optimálně nastavené, ale jeden z nich v obráceném režimu, je rozdíl v účinnosti až kolem 20%, a to je hodně velký rozdíl, který se hned pozná na chodu i na spotřebě.
Co z toho všeho plyne? I když si asi jen málo uživatelů troufne předstih elektromotoru seřizovat a většinou to vůbec nejde, je dobré rozumět tomu, proč jsou vlastnosti motorů různé při změně směru otáčení. I bez měření otáček (snímání polohy) jednotlivých kol lze dosáhnout přijatelně rovné jízdy dvokolového podvozku, když motoru na vnější straně zatáčky ubereme výkon (několik procent PWM), ovšem při jízdě vzad se musí kompenzace přesnunout na druhý motor!
Jde-li o co nejlepší účinnost, ať už kvůli omezení spotřeby energie a prodloužení doby činnosti, nebo je cílem co nejvyšší výkon, pak nemá v dané aplikaci symetrický motor co dělat. Potřebujeme motor s optimálně naladěným předstihem provozovaný jen v jednom (nebo přinejmenším v převažujícím) směru otáčení a když se směr otáčení musí často měnit, je na místě nasadit motor, který to umí, tedy motor s elektronickou komutací.