Sähkömoottorityyppejä ja niiden käyttökohteita

Insinöörin alkuperäiseksi tehtäväksi voidaan hyvinkin katsoa tehdä apuvälineitä auttamaan ihmistä erilaisissa elämään liittyvissä tehtävissä. Sen lisäksi tekniikka on kuitenkin kehittyessään tehnyt mahdolliseksi toimintoja, joita ihmisen ei ikinä uskottu pystyvän hallitsemaan, mainittakoon nyt esimerkkinä vaikka lentäminen. Tärkeänä osana insinöörien työkalupakkia ovat liikettä tuottavat laitteet eli moottorit. Tiede on paljastanut, että niin kemialliset kuin sähköisetkin moottorit perustuvat samoihin atomitason ilmiöihin. Tämä nähdään siinäkin, että kemiallinen energia voidaan muuttaa sähköiseksi erilaisissa laitteissa kuten vaikka akut, paristot, polttokennot. Nykyään hallitaan erinomaisesti useiden erilaisten sähkömoottorien suunnittelu ja rakentaminen. Sähkömoottorit voivat suurimmillaan olla pienen talon kokoisia ja pienimmillään vakiomallit voivat olla lähellä riisinjyvän kokoa. Mikro- ja nanokokoisia moottoreita kehitetään nykyään useilla erilaisilla periaatteilla. On selvää, että fysikaalisten ilmiöiden merkitys muuttuu moottoreiden koon muuttuessa: Vaikka nykyinen moottorien kokoluokka perustuu magneettikenttiin, voivat mikro- ja nanoluokan moottorit perustua sähkökentän voimaan, tai vaikka pietsosähköiseen ilmiöön.

Katso luku: Eksoottiset moottorit

Juuri nyt sähkömoottorit ovat tulossa lentokoneiden voimanlaitteiksi. Seuraavat videot esittelevät Hybridi-käyttöisen lentokoneen prototyypin ja toisen luonnosasteella olevan mallin:

Katso: Serial-Hybrid Electric Airplane

Katso: Terrafugia TF-X in Youtube

Tulevaisuudessa voi meillä olla myös mini- tai mikrokokoisia sähkömoottoreilla toimivia itsenäisiä lentokoneita, jotka voivat tehdä myös yhteistyötä.

Katso: Viljay Kumar: Robots that fly and cooperate

Nykyiset vakiomalliset sähkömoottorit voidaan jakaa seuraaviin neljään pääluokkaan:

1. Synkroniset moottorit
2. Induktiomoottorit
3. Tasavirtamoottorit
4. Harjattomat tasavirtamoottorit
5. Askelmoottorit

Luokissa 1, 2, 4 ja 5 tehdään tyypillisesti moottorin paikallaan pysyvään runkoon eli staattoriin pyörivä magneettikenttä, jota eri tavoin magnetoitu akselia pyörittävä osa eli roottori seuraa. Luokassa 3 staattori on vakiomagnetoitu ja roottorin magnetointia muutetaan sen pyöriessä siten, että sen magneettikenttä on aina kohtisuorassa staattorin magneettikenttään nähden.

Synkroniset moottorit

Synkronimoottori on saanut nimensä sitä, että siinä roottori pyörii tahdissa lukkiutuneena staattorin magneettikenttään. Jos kuorman momentti ylittää roottorin momenttikyvyn, moottori menettää momenttinsa ja niin sanotusti putoaa tahdista, mikä voi olla raju tapahtuma, jota tulee välttää.

Synkroniset mottorit ovat suositeltavia käyttökohteisiin, joissa vaaditaan parasta ohjattavuutta. Näissä sovellutuksissa ne vaativat tehon syöttöön taajuusmuuttajan, jonka tulee vaativimimmissa sovellutuksissa olla vektorityyppinen, mikä tarkoittaa, että ohjain tietää joka hetki koneen magneettikenttien suunnat ja suuruudet sekä roottorin asennon. Tällöin teho voidaan ohjata joka hetki tehokkaimmalla mahdollisella tavalla. Näin synkronimoottorin ohjattavuus tulee yhtä hyväksi kuin mitä on tasavirtamoottorilla, mutta mottorin rakenne on yksinkertaisempi, koska siinä ei tarvita kommutaattorikäämitystä, mikä myös vähentää mottorin huollon tarvetta. Roottorin tehon syöttämisestä päästään kokonaan eroon, jos se kestomagnetoidaan. Hyvää säätöä vaativissa sovellutuksissa synkronimottori ja sen modifikaatiot (harjaton tasavirtamoottori ja askelmoottori) ovat nykyään täysin syrjäyttämässä tasavirtamoottorin; ainoastaan mikrokokoisissa mottoreissa jalometalliharjoilla varustetut tasavirtamottorit ovat laadullisesti kilpailukykyisiä. Jos roottori magnetoidaan sähköisesti, saavutetaan etuna se, että magnetointivirtaa voidaan säätää; suurilla nopeuksilla voidaan käyttää niin sanottua kentänheikennystä, jolloin huipunopeus kasvaa. Roottori magnetoidaan tyypillisesti tasavirralla, joka kytketään akselilla olevien n.s liukurenkaiden kautta. Synkronimoottori pystyy kehittämään maksimimomentin heti käynnistyksestä alkaen. Näin se sopii erinomaisesti sovellutuksiin, joissa käynnistys tapahtuu kuorman kanssa.

Varsinkaan suuret synkronimoottorit, joissa ei ole vaimennuskäämitystä, eivät pysty käynnistymään, jos staattoriin kytketään suoraan täyden taajuden jännite. Vaikka skalaarinen taajuusmuuttaja ei olekaan maksimaalisen tarkka ohjauksessa, voidaan sitä kuitenkin käyttää mottorin käynnitämiseen siten, että taajuutta ja jännitettä vähitellen säädetään suuremmaksi niin, että roottori pysyy perässä. Roottori voidaan myös varustaa niin sanotulla vaimennuskäämityksellä, joka on olennaisesti induktiomoottorin häkkikäämitys; tällöin mottori voidaan käynnistää täyden taajuuden jännitteellä induktiomottorina, ja vasta kun jättämä on tullut tarpeeksi pieneksi magnetoidaan roottori tasavirralla, jolloin moottori tahdistuu. Vaimennuskäämitys toimi myös iskunvaimentimena siten, että se vaimentaa kuorman muutosten rottoriin aiheuttamia nopeuden muutoksia ja värähtelyjä.

Suuria synkronimoottoreita voidaan käyttää teollisuslaitoksissa kehittämään kompensoivaa loistehoa. Magnetointivirtaa säätämällä moottori voidaan säätää tuottamaan juuri haluttu määrä induktiivistä tai kapasitiivistä loisvirtaa.

Induktiomottorit

Tasavirtamottorit

Harjattomat tasavirtamoottorit

Askelmoottorit