Sähkömoottori

Tasavirtamoottorin toimintaperiaate

Sähkömoottori on sähköllä toimiva moottori, jonka avulla sähköenergiaa muutetaan mekaaniseksi energiaksi. Sähkömoottorissa luodaan kelalle käärittyjen johtimien eli käämien väliseen magnetoituvaan metalliin sähkön avulla magneettikenttä, jonka napaisuutta sopivalla taajuudella vaihtelemalla moottori saadaan pyörimään.

Generaattoreista ja sähkömoottoreista käytetään yhteistä nimitystä sähkökoneet. Sähkömoottori voi joissain tapauksissa toimia myös generaattorina, kun sitä pyöritetään ulkopuolisella voimalla.

Oikosulkumoottori

Sähkömoottorin historiasta

Englantilainen tiedemies Michael Faraday teki vuonna 1821 kokeen, jossa hänen keksimäänsä laitetta voidaan pitää ensimmäisenä alkeellisena sähkömoottorina. Kokeessa vapaasti roikkuva johdin upotettiin elohopea-astiaan, jonka keskellä oli kestomagneetti. Kun johtimeen kytkettiin sähkövirta, johdin kääntyi magneetin ympäri osoittaen, että sähkö muodosti magneettikentän johtimen ympärille.

Ensimmäisen varsinaisen sähkömoottorin, jossa sähkömagneetteja käytettiin sekä pyörivässä että paikallaan pysyvässä moottorin osassa, esitti unkarilainen Ányos Jedlik vuonna 1828. Englantilainen tiedemies William Sturgeon kehitti ensimmäisen tasavirtasähköllä ja kommutaattoria hyödyntävän käyttökelpoisen sähkömoottorin vuonna 1832. Sturgeonin työtä seuraten ensimmäisen kaupallisin tavoittein tehdyn sähkömoottorin rakensi yhdysvaltalainen keksijä ja seppä Thomas Davenport, joka sai myös tällä patentin vuonna 1837. 1800-luvun alkupuolella sähkövirtaa saatiin vain kemiallisista paristoista, ja se oli aina tasavirtaa. Tämä sähkö oli kallista, mikä johti myös Davenportin yrityksen kaatumiseen. Suuri paine kohdistuikin muiden sähkövirran lähteiden kuten generaattoreiden kehittämiseen. Kaupallisesti menestyneen ja hyvällä hyötysuhteella toimivan sähkömoottorin keksiminen oli osin sattuma, kun Zénope Gramme huomasi vuonna 1873 rengasankkuriroottorilla varustetuista dynamoistaan, että kahdesta rinnankytketyistä dynamosta, niin kutsutusta Grammen koneesta, toinen alkoi pyöriä, kun toista pyöritettiin ulkoisella voimalla.

Vaihtovirtatekniikan ja vaihtosähkömoottoreiden kehittäjänä pidetään kroatialaissyntyistä Yhdysvalloissa vaikuttanutta keksijää Nikola Teslaa, joka kilpaili Edisonin kannattamaa tasavirtatekniikkaa vastaan.

Sähkömoottorin toiminta

Vaihtosähkön taajuudella staattorin magneettikenttä siirtyy navasta toiseen eli pyörii ja synnyttää moottoria pyörittävän voiman, mitä tämän animaation voimavektorit esittävät

Sähkömoottorin toiminta perustuu siihen, että magneettisuus saadaan kytkettyä päälle ja pois. Sähköinen magneetti saadaan aikaan sähköjohtimen avulla, joka magnetisoituu, kun johtimessa kulkee virta. Heikkoa magneettisuutta voidaan vahvistaa kiertämällä johdinta useita kierroksia rullalle. Kun näin muodostuneen kelan sisällä on magnetisoituva sydän (useimmiten rautaa), myös sydän magnetisoituu.

Magneetti tai magnetisoituva materiaali tarvitaan sekä paikalla pysyvään osaan eli staattoriin että pyörivään osaan eli roottoriin. Jommassakummassa sähköiset magneetit voidaan korvata kestomagneeteilla.

Vaihtosähkömoottorissa sähkökenttä saadaan pyörimään eli siirtymään staattorin navasta seuraavaan vaihtosähkön taajuudella, jolloin roottorin magneetit seuraavat tätä pyörivää magneettikenttää ja sähkömoottori alkaa pyöriä.

Tasavirtamoottoreissa magneettien napaisuutta vaihdetaan roottorissa kommutaattorin eli virrankääntimen avulla. Kommutaattorissa roottoriakselin pyörimisliike saa aikaan napaisuuden vaihdon.

Ankkurikäämitykseksi sanotaan pyörivän sähkökoneen ulkoiseen sähköverkkoon kytkettyä käämiä. Sen pari on magnetointikäämitys. Yleensä ankkurikäämitys on staattorissa ja magnetointikäämi roottorissa, sillä magnetointiin riittää pienempi sähköteho, mikä helpottaa sähkötehon siirtämistä pyörivään osaan. Kommutaattorikoneissa ankkurikäämi on roottorissa.

Roottori ja staattori

Pääartikkeli: Roottori (konetekniikka)

Pääartikkeli: Staattori (konetekniikka)

Tavanomainen ilmajäähdytteinen kolmivaiheinen oikosulkumoottori osittain purettuna. Vasemmalla roottori ja oikealla staattori käämeineen.

Sähkökoneen pyörivää osaa sanotaan roottoriksi (pyörijä, ankkuri). Tämä on samalla moottorin pyörimisakseli ja yleensä sisempi osa. Sähkömoottori rakennetaan joskus sellaiseksi, että ulkokehä pyörii, jolloin tämä osa on roottori. Tällaista moottoria kutsutaan rumpu- tai ulkonapa- tai rengasmoottoriksi. Näitä käytetään esimerkiksi nostimien rumpukeloissa ja hihnakuljettimien vetorullina.

Sähkökoneen paikalla pysyvää osaa sanotaan staattoriksi (seisoja).

Sähkökoneet

Pääartikkelit: Vaihtosähkömoottori, Tasavirtamoottori ja Generaattori

Pyörivät sähkökoneet voidaan sähköisen toimintaperiaatteensa mukaan jakaa vaihtosähkökoneisiin ja tasavirtakoneisiin. Vaihtosähkökoneet jaetaan vielä tahti- ja epätahtikoneisiin. Oikosulkumoottori, joka on hyvin yleinen moottorirakenne, kuuluu epätahtikoneisiin. Näiden pääryhmien lisäksi on erikoiskoneita, kuten askelmoottoreita ja lineaarimoottoreita. Ennen tehopuolijohteita ja taajuusmuuttajia vaihtosähkömoottoreiden nopeudensäätö oli ongelmallista ja tähän tarkoitukseen kehitettiin useita erilaisia koneita, jotka nyt ovat historiaa. Toisaalta elektroniikka on luonut uusia sähkömoottoriratkaisuja, joita ei aikaisemmin kyetty toteuttamaan kuten askel- ja reluktanssimoottorit.

Piensähkömoottorit

Piensähkömoottoreiksi nimitetään yleensä koneita, joiden teho on alle 500 W. Näille on tyypillistä rakenteiden suuri vaihtelu käyttökohteiden mukaan. Piensähkömoottorit ovat useimmiten yksivaiheisia vaihtosähkökoneita, joita rakennetaan epätahti- ja tahtikoneina, sekä kommutaattorisarjamoottoreina sekä tasasähkömoottoreina.

Kolmivaiheinen sähkömoottori

Kolmivaiheinen vaihtosähkömoottori on yleisin sähkökone, erityisesti epätahtimoottori on yksinkertaisena rakenteena edullinen valmistaa. Kolmivaiheinen sähkömoottori voi olla myös tahtimoottori.

Yksivaiheinen vaihtosähkömoottori

Yksivaiheisesta vaihtosähköstä puhutaan silloin, kun vaihe on vasten nollajännitettä kuten tyypillisessä sähköpistokkeessa kodeissa tai toimistoissa. Kolmivaiheinen sähkömoottori jatkaa pyörimistään, jos yksi vaihe katkaistaan. Tämä kaksivaiheinen (jännite kahden vaiheen välistä) tila vastaa yksivaiheista (jännite vaiheen ja nollan välistä). Kaksivaiheisena tai yksivaiheisena kolmivaiheista sähkömoottoria ei kuitenkaan saada käynnistymään, vaan käynnistymistä avustetaan yksivaiheisessa sähkömoottorissa kondensaattoreilla siten, että magneettikenttä saadaan pyörimään kondensaattorin apukäämiin antaman virran avulla. Jos kondensaattoria käytetään vain käynnistämiseen, on kyseessä käynnistyskondensaattorimoottori ja jos kondensaattori jää käyttöön puhutaan käyntikondensaattorimoottorista, joka teknisesti on oikeastaan kaksivaiheinen sähkömoottori.

Kaksikääminen epätahtimoottori

Kaksikäämistä epätahtimoottorirakennetta käytetään myös joissakin servomoottoreissa. Tällöin vaihekäämiin, jota tässä nimitetään magnetoimiskääminä, syötetään muuttumaton jännite ja toiseen vaihekäämiin, jota nimitetään ohjauskäämiksi, muuttuva jännite. Käytettävässä kytkennässä ohjauskäämiin vaikuttavan jännitteen suuruus ja suunta ovat säätövastuksilla muutettavissa, mikä muuttaa myös virran suuntaa ja samalla pyörimissuuntaa. Säätövastukset taas ovat riippuvaisia roottoriakselin asentomittauksesta siten, että mitä kauempana asema on halutusta asemasta, sitä suuremmalla voimalla moottori pyrkii tavoiteasemaansa.

Sulkunapamoottori

Sulkunapamoottorissa kummankin pääkäämin toiseen sivuun on tehty suljettu apukäämitys, jonka magneettivuon purkautumista hidastaa varsinaisen käämin siihen indusoima virta. Oikosulkuroottori tuntee tämän kahtena erillisenä kääminä eli magneettikentän pyörimisenä ja saa roottorin pyörimään. Sulkunapamoottorin hyötysuhde on pieni. Tätä hyvin yksinkertaista moottorirakennetta käytetään esimerkiksi pienpuhaltimissa ja hiustenkuivaimissa.

Kommutaattorisarjamoottori eli yleisvirtamoottori

Kommutaattorisarjamoottori eli yleisvirtakone on rakenteeltaan samankaltainen kuin tasasähkömoottori sarjakäämityllä kenttäkäämillä. Erona on, että staattorin rautaosat on tehty levyrakenteisina, jotta vaihtovirran aiheuttamat pyörrevirtahäviöt pysyvät pienempinä. Pyörimisnopeutta säädetään roottorin magnetoimisvirralla. Näitä moottoreita käytetään käsityökaluissa ja suuritehoisina myös perinteisissä vaihtovirtasähkövetureissa. Käsityökaluissa pyörimisnopeudet ovat suuria, noin 3000-10000 kierrosta minuutissa.

Yksivaiheinen pientahtimoottori

Yksivaiheinen pientahtimoottori on esimerkiksi reluktanssimoottori, jossa on sähkölevystä tehty uritettu roottori ilman käämitystä, eli hammastettu reluktanssiroottori. Reluktanssi eli magneettivastus on suurin uran kohdalla, joten magneettikenttä pyrkii siirtämään roottorin hampaan staattorin käämin kohdalle. Moottori pyörii vaihtosähköllä siten, että yksi vaihe vaihtaa roottorin hampaiden magneettikentän suunnan ja seuraava siirtää roottoria yhden hammasvälin. Moottori ei pysty itse käynnistymään vaan vaatii alkunopeuden. Reluktanssimoottoreita, joissa on sama määrä hampaita niin staattorissa kuin roottorissa, käytetään kelloissa ja aikareleissä.

Askelmoottori

Pääartikkeli: Askelmoottori

Askelmoottorissa käytetään kestomagneettiroottoria. Syöttämällä staattorille yhden virtapulssin roottori kääntyy yhden staattorin napavälin verran eli yhden askeleen. Askelmoottori tarvitsee toimiakseen ohjausyksikön. Näitä moottoreita käytetään automaattisissa koneissa, kuten tulostimissa. Toisin kuin servomoottorilla askelmoottorilla ei ole paikalla pitävää momenttia eli jos askelmoottori menettää pulssiliikkeensä vaikka jonkin mekaanisen esteen ansiosta, myös ohjausyksikkö menettää tiedon akselin todellisesta asemasta. Tämän vuoksi esimerkiksi mustesuihkukirjoittimessa ajetaan tulostinpäät aina tulostuksen jälkeen toiseen päähän, jossa pulssilaskuri nollataan eli laite tahdistetaan.

Tasavirtamoottori

Pääartikkeli: Tasavirtamoottori

Tasavirtamoottoreita pienmoottoreina käytetään tyypillisesti akkukäyttöisissä sovelluksissa, joissa ei ole vaihtosähköä tarjolla. Vanhemmissa koneissa käytettiin paljon kommutaattoreita, joissa olivat kuluvat hiilet. Kulumisen lisäksi hiilikommutaattorin ongelmana on kipinöinti. Tämän vuoksi käytetään usein elektronista kommutaattoria, jolloin kestomagneetit ovat roottorissa. Elektronisessa kommutaattorissa on käämejä ohjaamassa puolijohdetranistorit, joiden virtaa elektroninen ohjausyksikkö säätää akselin asemaa mittaavien antureiden avulla.

Erikoiskoneet

Aksiaalinen, radiaalinen ja lineaarinen moottorirakenne

Yleisin sähkömoottorirakenne on radiaalinen, jossa käämitys on akselin suuntainen. Jos tarvitaan hyvin lyhyt moottori, niin se voidaan rakentaa kahdesta kiekosta, jossa käämit ovat säteittäisiä tällaisia moottoreita kutsutaan aksiaalivuokoneiksi. Tällaisia moottoreita käytetään esimerkiksi hisseissä. Sähkömoottori voidaan rakentaa myös lineaarisena, jolloin sillä saadaan aikaan päädystä päätyyn liike.

Reluktanssimoottori

Pääartikkeli: Reluktanssimoottori

Nykyaikaisen reluktanssimoottorin roottorin poikkileikkaus, josta ilmenee muotoilluilla ilmaväleillä toteutettu magneettivuon ohjaus.

Reluktanssimoottori, jolla on käynnistysvääntömomentti ja jota voidaan käyttää normaalin sähkömoottorin tapaan, on rakennettava siten, että roottorin ja staattorin hammaslukumäärät ovat erisuuruisia. Tällainen kone ei kuitenkaan voi toimia normaalista sähköverkosta, vaan se vaatii taajuusmuuttajan. Idea katkojakäyttöisesta reluktanssimoottorista on jo yli sata vuotta vanha, mutta teknisesti sellaisen rakentaminen on onnistunut vasta tehoelektroniikan kehityksen myötä. Reluktanssimoottorilla on paljon hyviä puolia, minkä vuoksi sille ennustetaan tulevaisuudessa laajempaa käyttöä. Etuina on muun muassa se, että roottorilla ei ole käämitystä ja hitausmomentti on pieni, jolloin moottorilla saavutetaan nopea dynamiikka ja sitä voidaan käyttää suurilla pyörimisnopeuksilla. Staattorikäämityskin on yksinkertainen ja helposti jäähdytettävissä. Pienillä nopeuksillakin saadaan aikaan suuri vääntömomentti ja jopa paikoillaan olevalla roottorilla. Kaupallisia korkean hyötysuhteen synkronireluktanssimoottoreita on jo markkinoilla.

Lineaarimoottori

Lineaarimoottori ei ole pyörivä, vaan siinä liikkuva osa liikkuu suoraviivaisesti. Näillä saadaan aikaan suoraviivainen liike ilman mekaanisia välityksiä. Lineaarimoottorissa on staattori- ja roottorikäämitykset levitetty tasoon. Pyörivän magneettikentän sijasta syntyy vaeltava magneettikenttä. Lineaarimoottoreita käytetään joissakin työstökoneissa.

Kartiojarrumoottori

Kartiojarrumoottori on erikoisrakenteinen kolmivaiheinen induktiomoottori, jonka roottori ja staattori ovat kartion muotoisia. Roottorin akselilla on myös jousi ja jarru. Kartionmuotoisesta ilmavälistä johtuen magneettikentällä on myös akselin suuntainen komponentti. Moottorin käynnistyessä magneettikenttä siirtää akselia jousen suuntaan ja vapauttaa jarrun. Sähköjen katketessa jousi painaa jarrun kiinni. Rakenne on hyvin yksinkertainen ja käyttövarma.

Massiiviroottorikone

Pääartikkeli: Massiiviroottorikone

Massiiviroottorikone voidaan rakentaa tahti- tai epätahtikoneena. Massiiviroottori ei ole normaalin vaihtosähköroottorin tapaan levyrakenteinen vaan yhtä magnetoituvaa, yleensä teräksistä, rakennetta. Massiiviroottorin etuna on mahdollisuus käyttää sitä hyvin suurilla pyörimisnopeuksilla, varsinkin epätahtimassiiviroottorikonetta. Tyhjiöpumpuissa ("turbopumppu") käytetyillä massiiviroottorikoneilla saavutetaan jopa luokkaa 100 000 kierrosta minuutissa olevia pyörimisnopeuksia.

Sähkömoottorin hyötysuhde

Parhaat hyötysuhteet saavutetaan suurimmilla sähkömoottoreilla, ja se voi olla jopa 97 %. Pienitehoisimpien moottoreiden hyötysuhde on noin 60...70 %. Häviöt muodostuvat tuulettimen vaatimasta voimasta, laakerikitkasta ja käämien lämpenemisestä. Kaikesta maailmassa tuotetusta sähköenergiasta sähkömoottorit kuluttavat 40 % (kehittyneissä maissa 60-65 % ) ja tästä 90 % käyttävät moottorit tehoalueella 0,75...200 kW. Tämä on tyypillinen teollisuussovelluksissa ja erilaisissa pumpuissa käytetty moottorikoko. Euroopassa sähkömoottorit on luokiteltu vuodesta 1997 vapaaehtoisen EFF-standardin mukaan kolmeen luokkaan tehoalueella 1,1-90 kW. Huonoin teholuokka EFF3 on poistunut Euroopan markkinoilta. Hyötysuhteeltaan parhaat moottorit käyttävät suprajohtavuutta hyödyksi. Näillä kryomoottoreilla on kaupallisia valmistajia, mutta korkean hinnan vuoksi suurta kysyntää ei ole muodostunut.

Sähkömoottori on hyötysuhteeltaan parempi kuin polttomoottori, koska eksergiana sähkö on energiana käyttökelpoisemmassa muodossa kuin lämpö. Ottomoottorilla hyötysuhde on lähellä 25 %:a ja voimalaitosdieseleillä 40 %:n luokkaa. Lämpövoimakoneen ja sähkömoottorin hyötysuhteiden suora vertaileminen tarkasteltaessa päästöjä ja luonnonvarojen kuluttamista ei kuitenkaan ole mielekästä, koska sähköstä vain pieni osa (vesivoima, tuulivoima, aurinkokennot) on tuotettu muutoin kuin päästöjä tuottavilla lämpövoimakoneilla. Toisin sanoen polttomoottoria vastaavat häviöt ja päästöt ovat syntyneet jo voimalaitoksella ja sähkönsiirrossa. Ydinvoima on sähkön tuottamista lämpövoimakoneella ilman merkittäviä tuotannonaikaisia päästöjä.^lähde?

Sähkömoottorin käyttökohteet

Sähkömoottoreita on käytössä alkaen hyvin pienestä koosta, kuten tietokoneiden kiintolevyjen pyörityslaitteista, aina useita metrejä korkeisiin kaivoshisseihin ja laivamoottoreihin. Teollisuus on suuri sähkömoottorien käyttäjä, jossa käytettävät esimerkiksi kuljettimien moottorit ovat IEC-standardien mukaan rakennettu. Sähkömoottori on yli sata vuotta vanha kone, joka rakenteet ovat vakioituneet, ja standardien mukaan rakennetut koneet ovat vaihtokelpoisia eri valmistajien välillä.

Eräs teollinen sähkömoottoreiden käyttösovellus ovat servo-ohjatut koneet, kuten robotit. Näihin tarkoituksiin on kehitetty erikoisia DD eli Direct Drive-moottoreita, joissa akseli ei pyörähdä edes täyttä kierrosta. Kun tällaisella moottorilla saadaan riittävä vääntömomentti, niin ei tarvita erikseen vaihteistoa.

Liikenteessä sähkömoottoreita käytetään pitkillä matkoilla rautateiden sähkövetureissa sekä kaupunkien sisäisessä joukkoliikenteessä kuten metroissa, raitiovaunuissa ja johdinautoissa. Nämä edellyttävät, että tien tai kiskojen yläpuolelle on asennettu kiinteät sähkönjohtimet. On olemassa myös sähköautoja, jotka eivät sellaista edellytä vaan joiden sähköenergia saadaan akuista, mutta ne ovat jääneet paljon harvinaisemmiksi kuin polttomoottorilla kulkevat autot. Useimmissa autoissa on kuitenkin pienempiä sähkömoottorilla toimivia laitteita kuten ovilasien nostomoottorit.

Sähkömoottoreita käytetään myös hisseissä sekä pienempiä moottoreita monenlaisissa kodinkoneissa kuten pesukoneissa ja pölynimureissa.

Kuntosaleilla sähkömoottoreita käytetään mm. juoksumatoissa.

Katso myös

• Jäähdytystavan IC-luokitus

Lähteet

• Aura, Lauri & Tonteri, Antti J.: Sähkökoneet ja tehoelektroniikan perusteet. WSOY Porvoo, 1996, ISBN 951-0-20167-7

Aiheesta muualla

• Käsikirja IEC-standardeista koskien sähkökoneiden käyttöä, mitoitusta, jäähdytystä ja rakenteita

• LTY:n sähkömoottoreita käsittelevä sivusto (Arkistoitu – Internet Archive)

• Askelmoottoreita käsittelevä sivusto (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)