Oikosulkumoottori

Oikosulkumoottori on teollisuudessa yleisin käytetty vaihtovirtasähkömoottorityyppi. Sen periaatteen keksi vuonna 1888 serbialais-yhdysvaltalainen insinööri Nikola Tesla.

Rakenne 

Moottori muodostuu kiinteästä kotelosta, jossa ovat staattorikäämit, ja näiden sisäpuolella pyörivästä roottorista. Oikosulkumoottori toimii vain vaihtovirralla. Nimitys oikosulkumoottori tulee siitä, että roottorin navat ovat oikosuljettuja keskenään. Vaihtovirta kytketään staattoriin siten, että muodostuu roottorin ympärillä pyörivä magneettikenttä. Roottoriin indusoituu oikosulkuvirta vastustamaan pyörivää kenttää, toisin sanoen staattorin kenttä vääntää roottoria. 

Koska roottorin magnetointivirta otetaan pyörimisliikkeestä, niin tämä pieni energiahäviö aiheuttaa jättämää vaihtovirran synnyttämään magneettikentän pyörimisnopeuteen. Tämän vuoksi oikosulkumoottoria kutsutaan myös epätahtimoottoriksi verrattuna muihin vaihtovirtamoottoreihin.

Toimintaperiaate 

Vaihtovirralla syötetty staattorikäämitys luo koneen ilmaväliin pyörivän magneettivuon, joka leikkaa roottorin oikosuljetun häkkikäämityksen sauvoja. Tämän seurauksena roottorisauvoihin indusoituu virtaa, joka magnetoi roottorin. Magnetoitunut roottori pyrkii seuraamaan staattorin pyörivää magneettivuota, ja tämä aikaansaa roottorin vääntömomentin.

Tahtinopeus

Staattorikäämityksen muodostaman magneettikentän pyörimisnopeus on 

 (kierrosta / sekunti), 

tai kierroksina minuutissa

 (RPM), 

missä f on moottoria syöttävän verkon taajuus ja p on magneettisten napaparien lukumäärä. Napaparien lukumäärä on puolet magneettisten napojen lukumäärästä.

Jättämä

Suhteellinen jättämä s voidaan laskea yhtälöstä 

missä  on staattorivuon sähköinen nopeus ja  on roottorin mekaaninen pyörimisnopeus.

Pyörimisnopeus
Roottorin (moottorin akselin) pyörimisnopeus voidaan laskea, kun tiedetään suhteellinen jättämä:

Oikosulkumoottorin toiminta on yksinkertaisesti ymmärrettävissä niin, että vaihtosähkön taajuudella staattorin navoissa magneettikenttä siirtyy napaparin kerrallaan eteenpäin. Samalla staattorin magneettikenttä indusoi roottorin häkkikäämitykseen sähkövirran. Sähkövirran muodostamat magneettiset navat pyrkivät seuraamaan staattorin magneettikentän kiertymistä, jolloin moottori alkaa pyöriä. Suomessa käytössä olevalla vaihtosähkön taajuudella 1 napaparin (2 napaa) oikosulkumoottori pyörii tyypillisesti 3 000 kierrosta minuutissa (50 kierrosta sekunnissa) tai napaparien määrää lisäämällä hitaammin, esimerkiksi  kahdella napaparilla (4 napaa) 1 500 tai neljällä napaparilla (8 napaa) 750 kierrosta minuutissa. Käytännössä moottorin pyörimisnopeutta kuitenkin hidastaa jättämä.

Teknisemmin kuvattuna oikosulkumoottori toimii siten, että staattorikäämeissä kulkeva sähkövirta synnyttää staattoriin pyörivän magneettikentän, kiertokentän. Oikosulkuroottorissa on käämitys, jonka sauvoja pyörivän staattorikentän vuoviivat leikkaavat. Kun roottorin käämitykseen kytketään kuormitus, roottorin häkkikäämitykseen muodostuu sähkövirta. Roottorin virran aiheuttaman magneettikentän ja staattorin välille syntyy voimavaikutus, joka pyrkii saamaan roottorin pyörimään. Jos syntyvä vääntömomentti on suurempi kuin pyörimistä vastustavan kuorman mekaaninen vääntömomentti, roottori alkaa pyöriä. Kun roottorin pyörimisnopeus kasvaa, staattorikentän ja roottorin sauvojen leikkausnopeus pienenee, jolloin myös roottorin sähköinen vääntömomentti pienenee.

Roottorin pyörimisnopeus on aina staattorin magneettikentän pyörimisnopeutta pienempi. Jos roottori saavuttaisi magneettikentän pyörimisnopeuden, ei roottoriin syntyisi lainkaan sähkömotorista voimaa eikä vääntömomenttia, koska magneettikenttä pysyisi roottorin suhteen paikallaan, eikä vuoleikkausta tapahtuisi.

Hyöty- ja haittapuolet 

Parhaita puolia ovat
 helppokäyttöisyys
 huollon tarpeen vähäisyys
 taloudellinen kilpailukyky
 rakenteen yksinkertaisuus ja kestävyys.

Haittapuolia ovat
 suuri käynnistysvirta (sulakkeen palamisvaara moottoria käynnistettäessä)
 pieni käynnistysvääntömomentti
 roottorin heikko voitelu kylmäkäynnistyksessä 
 roottoriin kohdistuvan sähkömagneettisen kentän aiheuttama tehon heikentyminen.

Lähes kaikki haittapuolet ovat vältettävissä käyttämällä taajuusmuuttajaa tai tähti-kolmiokäynnistintä.

Katso myös 
Sähkömoottori
Vaihtosähkömoottori
Massiiviroottorikone
Kolmivaihevirta
Tähti-kolmiomuunnos
Jäähdytystavan IC-luokitus

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

Sähkömoottorit
Seulonnan keskeiset artikkelit
1800-luvun keksinnöt