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.

Katso: Synchronous Motor

Katso: Working of Synchronous Motor

Katso: How does an Alternator Work

Induktiomottorit

Induktiomoottori on yksinkertaisen rakenteensa puolesta luultavasti yleisin teollisuudessa käytetty moottorityyppi. Käynnistettäessä perustyyppinen induktiomottori ilman taajuusmuuttajaa, se tuottaa maksimia pienemmän momentin, mikä pitää huomioida käyttökohteita valittaessa; moottori soveltuu hyvin kohteisiin, kuten pumppuihin ja tuulettimiin, joissa käynnistettäessä on pieni momentti.

Suuria induktiomottoreita ei voi käynnistää suoraan käyttöjännitteellä, sillä vastajännitteen puuttumisen takia virta on seisovassa moottorissa tyypillisesti kymmenkertainen nimellisnopeudella pyörivään mottoriin nähden. Käynnistys onnistuu tietenkin hienosti, jos mottoria syötetään taajuusmuuttajalla. Tajuusmuuttajat ovatkin yleistymässä induktiomoottoreiden käytöissä. Vaikka pienet mottorit saattavat käynnistyä hyvin suoraankin, ovat niidenkin yhteydessä taajuusmuuttajat yleistymässä, sillä taajuusmuuttajat tarjoavat muutakin etua; ne sallivat mottorin pyörimisnopeuden ja tehon säädön ilman tehoa hukkaavia kuristimia ja jarruja.

Jos suuri induktiomoottori käynnistetään ilman taajuusmuuttajaa, tulee sen ankuripiirien kanssa kytkeä sarjaan sopivat induktanssit siten, että virta juuri tulee käynnistyksessä sallittuun maksimiarvoonsa. Kun pyörimisnopeus on kasvanut siten, että  käynnistysvirtaa kanattaa taas kasvattaa, vaihdetaan induktanssi pienempään, jotta virta saadaan taas suurimpaan salittun arvoonsa; tällaisia käynnistysportaita voidaan tarvita esimerkiksi vaikka 10 kappaletta.

Katso: How does an Induction Motor Work

Katso: Induction Motor; How it Works

Katso: Single Phase Induction Motor

Tasavirtamottorit

Tasavirtamoottorit ovat helppoja säätää muuttamalla ankkuripirin (tässä tapauksessa roottorissa) jännitettä. Mottorin vaatima kommutaattori on kuitenkin hankala valmistaa, joten moottorista tulee kallis. Lisäksi kommutaattori vaatii sähkön johtamisen roottoriin niin sanottujen harjojen avulla, jotka hankaavat roottorin mukana pyöriviä kommutaattorin lamelleja. Tämä hankaus saa harjat ja lamellit kulumaan, mikä merkitsee sitä, että moottori tarvitsee aika-ajoin huoltoa. Suurissa mottoreissa harjat tehdään hiilestä ja niiden kuluminen synnyttää mottoriin hiilipölyä, mikä voi syttyä palamaan. Varsinkin huonosti säädetty kommutattori voi kipinöidä, mistä voi joissakin tapauksissa syntyä tulipalon tai räjähdyksen vaara.

Suuria tasavirtamoottoreita ei voi suoraan käynnistää nimellisellä ankkurijännitteellä, sillä vastajännitteen puuttuessa virta voi kasvaa kymmenkertaiseksi nimellisestä, mikä voi nostaa käämityksen lämpötilan lian suureksi. Jos elektronisesti toimivaa jännitteen säätölaitetta ei ole käytettävissä, tulee moottori käynnistää kytkemällä ankkurin kanssa sarjaan sopiva vastus siten, että virta tulee juuri käynnistyksessä sallitun maksimin suuruiseksi. Kun pyörimisnopeus on kasvanut siten, että käynnistysvirtaa kanattaa taas kasvattaa, vaihdetaan sarjavastus pienempään, jotta virta saadaan taas suurimpaan salittun arvoonsa; tällaisia käynnistysportaita voidaan tarvita esimerkiksi vaikka 10 kappaletta.

Harjattomat tasavirtamoottorit

Harjaton tasavirtamoottori on perusrakenteeltaan kuin synkronimottori; kuitenkin moottoria syötetään tasavirralla ja sen kehittämä vastajännite on tasavirtaa. Tällainen moottori vaatii toimiakseen ohjausyksikön, joka osaa ohjauksen mukaan muuttaa eri vaiheisiin menevää jännitettä oikeassa tahdissa. Ohjausyksikkö ja moottori voidaan toisinaan hankkia erikseen jopa eri valmistajilta, kun taas toisinan ne ostetaan yhtenä settinä. Tyypillisesti roottorin paikasta saadaan ohjausyksikölle tieto virran mittauksen ja/tai Hall-anturien avulla.

Askelmoottorit

Askelmoottorit on kehitetty kestomagnetoiduiksi synkronimoottorien versioiksi, joita on helppo ohjata yksinkertaisen mikro-ohjaimen avulla ilman mutkikasta taajuusmuuttajaa. Askelmoottorin ohjaus ei muutu sinimuotoisesti, vaan vaihejännitteitä ohjataan mikro-ohjaimen avulla mielivaltaisella askellusnopeudella kiintein jänniteportain. Eri moottorityypeissä askelustarkkus voi olla hyvin erilainen. Moottorin napaluku on tärkeä tekijä askellustarkkuuden määrittelyssä ja lisäksi puhutaan eri tyyppisistä askelista kuten kokoaskeleesta, puoliaskeleesta ja mikroaskeleesta. Pitomomentti ei yleensä ole sama kaikissa askeltyypeissä. Askelmoottoreissa on usein erilainen napaluku staattorissa ja roottorissa.

Katso: Stepper Motor Basics and Control - How it Works 

Katso: How Stepper Motor Works - 1

Katso: How Stepper Motor Works - 2