Vaihtosähkömoottori
Vaihtosähkömoottorit ovat vaihtosähköllä toimivia sähkömoottoreita.
Kroatialaisen keksijän Nikola Teslan tekemät kokeilut ja keksinnöt johtivat sähkömoottoreiden ja vaihtovirtatekniikan keksimiseen 1880-luvulla. Professori Poeschel, Teslan opettaja oli tajunnut, että pyörivä sähkökenttä voisi käynnistää moottorin roottorin pyörimisen. Tesla hankki patentin myöhemmin. Tämä klassinen vaihtovirta-sähkömagneettimoottori oli induktiomoottori. Myös venäläinen Mikhail Dolivo-Dobrovolsky keksi kolmivaihejärjestelmän. Hän kehitti kolmivaihesähkögeneraattorin ja kolmivaiheisen sähkömoottorin vuonna 1888 ja tutki tähti- ja kolmiokytkentöjä. Mikhail Dolivo-Dobrovolskyn kehitti oikosulkumoottorin vuonna 1890.
Yleisimmät teollisuudessa käytetyt vaihtosähkömoottorit ovat oikosulkumoottori eli induktiomoottori, kestomagneettitahtimoottori, vierasmagnetoitu tahtimoottori sekä liukurengasmoottori.
Kaikkia sähkömoottoreita voidaan käyttää myös generaattoreina. Suurilla tehoilla kuitenkin yleisesti käytetään vain vierasmagnetoituja tahtikoneita, sillä niiden hyötysuhde on varsin korkea. Kaikki edellä mainitut koneet kuuluvat kiertokenttäkoneisiin. Tähän ryhmään kuuluu myös synkroninen reluktanssikone. Toistaiseksi tätä konetyyppiä kuitenkin käytetään varsin vähän.
Kiertokenttäkoneisiin kuuluvat myös liukurengasmoottori, jonka roottorissa on vyyhdistä koostuva käämitys eikä oikosuljettu häkkikäämi, sekä massiiviroottorikone, jossa roottorin muodostaa joko induktiokoneissa käytetty teräslieriö tai tahtikoneissa roottori on yhdestä kappaleesta työstetty ja varustettu napakäämeillä.
Vaihtosähkömoottorit tai toiselta nimeltään myös vaihtovirtakoneet jaotellaan epätahti- ja tahtikoneisiin toimintaperiaatteen mukaan: epätahtimoottorin roottori pyörii hieman pyörivää magneettikenttää, kiertokenttää hitaammin, mutta tahtimoottoreissa roottori pyörii tarkalleen samassa tahdissa kiertokentän mukana.
Oikosulkumoottori on teollisuuden yleisin sähkö- ja epätahtimoottorityyppi.
Oikosulkumoottoria voidaan käyttää suoraan verkkokäyttöisenä tai taajuusmuuttajalla syötettynä. Oikosulkumoottorin staattorissa on uriin jaettu käämitys, joka tuottaa sinimuotoisen magnetomotorisen voiman, tämä tarkoittaa käytännössä staattorille muodostuvaa pyörivää magneettikenttää (kiertokenttä) joka indusoi roottorin oikosuljettuun häkkikäämiin sähkövirran. Tämä puolestaan magnetoi roottorin ja muodostaa sille magneettikentän joka pyrkii vastustamaan staattorin pyörivää magneettikenttää. Näin muodostuva magneettivastus muodostaa roottorin vääntömomentin, moottorin akselia pyörittävän voiman.
Oikosulkumoottori magnetoidaan staattorista, minkä vuoksi sen tehokerroin on pienempi kuin 1, tyypillisesti n. 0,8.
Oikosulkumoottorin roottori pyörii epätahdissa staattorin syöttötaajuuteen nähden, tästä syystä konetta kutsutaan myös "epätahtikoneeksi" tai "asynkronikoneeksi". Roottorin sähköisen pyörimistaajuuden ja staattorin syöttötaajuuden erotusta kutsutaan jättämätaajuudeksi. Oikosulkumoottorin tuottama vääntömomentti on nimellistoimintapisteen läheisyydessä verrannollinen jättämään.
Massiiviroottorikone on kiertokenttäkoneisiin kuuluva sähkömoottori, jonka roottori valmistetaan yhdestä kappaleesta. Roottori voi olla teräslieriö, minkä tyyppisiä käytetään oikosulkumoottoreissa tai tahtikoneiden, moottoreiden tai generaattoreiden ollessa kyseessä joko avo- tai umpinapainen.
Massiiviroottorikoneita käytetään niiden mekaanisen kestävyyden vuoksi yleensä erittäin suurta kierrosnopeutta vaativissa käyttökohteissa, kuten esimerkiksi suurta painetta ja virtausta tuottavien kompressoreiden käytössä. Tällaisia kompressoreita käytetään esimerkiksi nykyaikaisessa jätevedenpuhdistuksessa jäteveden ilmastuksessa. Näiden pyörimisnopeudet ovat alueella 10000-20000 rpm. Voimalaitoksissa käytettäville generaattoreille jo yli 1500 kierrosta minuutissa on suuri nopeus, koska pyörivät massat ovat kymmeniä tonneja. Esimerkiksi atomivoimalaitoksissa käytetään umpinapaisia massiiviroottorigeneraattoreita, joiden pyörimisnopeus on 3000 kierrosta minuutissa.
Sähkömoottoreissa normaalisti sähköisten häviöiden minimoimiseksi käytetään levyrakenteisia napoja. Massiiviroottorissa häviöt ovat tavallista rakennetta suurempia, mutta mekaaninen lujuus parempi.
Tahtimoottori eli synkronimoottori on nimensä mukaisesti sähkömoottori, joka pyörii täsmälleen vaihtovirran taajuuden ja koneen napaluvun määräämällä nopeudella. Suuret, usein yli 1 MW tehoiset vaihtosähkömoottorit rakennetaan tahtimoottoreina sen vuoksi, että niiden hyötysuhde (noin 95 %) on muutamaa prosenttiyksikköä parempi kuin induktiomoottoreiden. Prosentinkin häviöt merkitsevät megawattien teholuokassa 10–100 kW häviöitä, joka muuttuu moottorissa lämpöhäviöksi ja voi ylikuumentaa koneen.
Vierasmagnetoituja tahtimoottoreita käytetään silloin kun tarvitaan suurta tehoa ja vääntömomenttia. Tyypillisiä kohteita ovat valssit, laivamoottorit kuten Azipodit, kaivoshissit, kompressori- ja pumppumoottorit sekä jauhaimet.
Kestomagneettitahtimoottoreita käytetään vain taajuusmuuttajasyötöllä. Kestomagneettitahtikoneen roottorissa on kestomagneetit, jotka magnetoivat koneen. Kestomagneettitahtikoneen tehokerroin on tästä syystä selvästi parempi kuin induktiokoneella. Kestomagneettitahtikoneet voidaan jakaa pintamagneettikoneisiin ja upotetuilla magneeteilla varustettuihin koneisiin.
Pintamagneettikoneen roottorin kestomagneetit on asennettu roottorin pinnalle liimaamalla. Magneettien kiinnipysyminen varmistetaan usein roottoria kiertävällä lasikuitupannalla. Upotetut magneetit asennetaan roottorilaminoinnin sisään. Magneettien sijoittelu vaikuttaa koneen ominaisuuksiin siten, että pintamagneettikone on magneettisesti melko symmetrinen, toisin sanoen roottorin magneettiset ominaisuudet ovat melko samanlaiset tarkastelusuunnasta riippumatta.
Upotetuin magneetein varustetun koneen magneettiset ominaisuudet taas riippuvat tarkastelusuunnasta siten, että tyypillisesti pitkittäisakselin (magneettiakselin) suunnassa induktanssi on pienempi kuin poikittaisakselin suunnassa. Induktanssiero aiheuttaa reluktanssivääntömomentin, jota voidaan hyödyntää moottorisäädössä.
Kestomagneettikoneiden hyötysuhde on tyypillisesti parempi kuin induktiokoneilla, sillä niiden roottorissa ei tapahdu juuri lainkaan häviöitä. Kestomagneettikoneiden ominaisuudet ovat erityisen hyvät pienillä pyörimisnopeuksilla, sillä moninapaisen kestomagneettikoneen ominaisuudet eivät huonone yhtä voimakkaasti kuin vastaavalla induktiokoneella. Tämä ominaisuus on mahdollistanut ns. suoravetokäyttöjen rakentamisen, missä induktiokone ja alennusvaihde on voitu korvata suoraan toimilaitteeseen kytketyllä hitaasti pyörivällä kestomagneettimoottorilla.
Kestomagneettitahtimoottoreita käytetään sähköautojen moottoreina, sillä tähän käyttöön etsitään ratkaisua rakentaa auto ilman vaihteistoa. Kestomagneettitahtimoottorilla saavutetaan hyvä vääntömomentti jo pienillä nopeuksilla, mutta suuria nopeuksia rajoittaa vaikeus pitää magneetit kiinni roottorissa.
Harjattomat tasavirtamoottorit ovat rakenteeltaan erittäin lähellä kestomagneettitahtimoottoreita.
Synkronireluktanssikone on tahtimoottori, jonka vääntömomentin tuotto perustuu jatkuvuustilassa pelkästään induktanssiepäsymmetrian aiheuttamaan reluktanssivääntömomenttiin.
Reluktanssikoneessa voi olla myös vaimennuskäämitys, jonka tuottama vääntömomentti vaikuttaa transienttitilanteissa koneen käyntiä vakavoivasti ja voi mahdollistaa koneen käynnistämisen suoraan verkkoon. Taajuusmuuttajasyötöllä vaimennuskäämitystä ei välttämättä tarvita.
Reluktanssikoneen roottori valmistetaan tyypillisesti laminoiduista sähkölevyistä, ja tällaista roottoria kutsutaankin levysydänroottoriksi. Roottorista pyritään vuoesteiden avulla saamaan magneettisesti hyvin epäsymmetrinen. Vuoesteet voivat olla ilmaa (roottorin levyihin leikattuja aukkoja) tai jotain muuta epämagneettista materiaalia.
Synkronireluktanssikoneen ominaisuudet voidaan saada hyviksi mikäli induktanssiepäsymmetria on riittävän suuri. Hyvänä arvona pidetään yleensä noin kymmentä. Synkronireluktanssikonetta ei ole edullista rakentaa kovin moninapaiseksi, sillä tällöin suuren induktanssieron aikaansaaminen on vaikeaa.
Toistaiseksi synkronireluktanssikone on melko harvinainen konetyyppi teollisuudessa.
Muita vaihtosähkömoottorityyppejä ovat yleisvirtakone eli kommutaattorisarjakone ja sulkunapamoottori. Näiden koneiden hyötysuhde ja ominaisuudet ovat varsin heikkoja, minkä vuoksi niitä käytetään tyypillisesti pienitehoisissa yksivaiheisesti syötetyissä laitteissa kuten käsityökaluissa ja pienissä puhaltimissa. Yleisvirtakoneen rakenne on periaatteessa samanlainen kuin sarjatasavirtakoneella, mutta magneettipiiri on vaihtovuon aiheuttamien pyörrevirtojen vähentämiseksi tehty levyrakenteisena.
Kytkinreluktanssikone eli molemmin puolin avonapainen reluktanssikone kuuluu myös vaihtosähkökoneisiin. Kytkinreluktanssikone on luonteeltaan askelmoottori, minkä vuoksi siitä on vaikea saada tasaista vääntömomenttia.