Elektrisk motor

En **elektrisk motor** eller **elektromotor** er en maskin som omformer elektrisk energi til mekanisk energi i form av roterende eller lineær bevegelse. Den motsatte prosessen der mekanisk energi omformes til elektrisk energi skjer i en generator. Selv om en gjør forskjell på motorer og generatorer, kan mange motortyper også brukes som generatorer. Derfor er det vanlig i fagsammenheng å heller snakke om elektriske maskiner.

De fleste elektriske motorer bygger på prinsippet om at en strømførende elektrisk leder hvis utsettes for et magnetisk felt, blir påvirket av en kraft. Denne kraften kalles for lorentzkraften. En motorkonstruksjon er laget for å frembringe sterke magnetiske felter som virker på den roterende delen. Ofte er det feltet fra den stillestående delen, kalt statoren, som frembringer et *elektromagnetisk [[moment]]* på en rotor med mange strømførende ledere. Rotoren er tilknyttet en aksling som igjen kan tilknyttes en arbeidsmaskin. Arbeidsmaskinen kan være alt fra en pumpe eller kompressor til symaskin eller harddisk. Rotoren får sin strøm via enten kommutator eller sleperinger, men kan også være helt uten kontakt med noe ekstern strømforsyning. I det siste tilfellet induseres strømmen i rotoren fra statoren, noe som er tilfelle i en asynkronmotor.

De aller første motorene var mer å betrakte som roterende innretninger; de hadde ikke  noen praktisk funksjon. Årsaken var svært liten ytelse. En regner at de første slike roterende elektriske apparater ble konstruert i 1820-årene. Først etter mange år med eksperimenter greide Moritz Hermann von Jacobi i 1838 å lage en motor som hadde ytelse nok til å drive en båt med passasjerer. Ved siden av Jacobi regnes Thomas Davenport og Charles Grafton Page som opphavsmenn til den elektriske motoren.

Mange av 1800-tallets mest kjente vitenskapsmenn og ingeniører arbeidet intenst med å utvikle praktiske motorer og elektriske systemer, blant annet Thomas Alva Edison, Werner von Siemens og Nikola Tesla. Veien frem til en vellykket elektrisk motor var lang og vanskelig, og en regner at det aller første vellykkede systemet for kraftoverføring, kraftproduksjon og motordrift ble konstruert av Mikhail Dolivo-Dobrovolskij i 1891. Dette systemet ble presentert ved den elektrotekniske utstillingen i Frankfurt og regnes som et historisk vendepunkt. Etter dette ble gradvis alle industribedrifter elektrifisert og motorisert, dermed ble det slutt på fabrikker med reimdrift og akslinger for å drive sine produksjonsmaskiner.

Elektriske motorer produseres i et vidt spekter av ytelser og utførelser. Ytelsen kan være fra noen få mW (0,001&nbsp;W) til rundt 100&nbsp;MW (100&nbsp;000&nbsp;000&nbsp;W). For motorer med stor ytelse er det alltid snakk om forsyning med høyspenning, altså spenning over 1000&nbsp;V. Turtall, vekt, volum, behov for vedlikehold, støy og virkningsgrad er blant de mange faktorer som er av interesse ved valg av motorer. Det er imidlertid ikke alle motortyper som egner seg for alle formål. Tradisjonelt har likestrømsmotorer vært overlegne når det gjelder turtallsregulering, asynkronmotorer egner seg for de fleste formål og krever svært lite vedlikehold, mens synkronmotorer egner seg best for meget store ytelser og konstant hastighet. Med introduksjon av kraftelektroniske omformere har asynkronmotoren fått enda større utbredelse fordi den med slik utrustning enkelt kan styres med hensyn på moment og turtall.

Når det gjelder små motorer til bruk i applikasjoner som husholdningsapparater, håndholdt verktøy og kontormaskiner finnes en rekke spesialmotorer. Disse utmerker seg først og fremst med sin enkle konstruksjon egnet for masseproduksjon. De har ofte lav virkningsgrad og ytelse, men er spesielt tilpasset bruken, de er dermed ofte en integrert del av apparatet.

Elektriske motordrifter er den største sluttbrukeren av elektrisk energi, med 43-46 % av totalen. Små motorer er flest i antall. Størst energiforbruk står mellomstore motorer på 0,75 til 375&nbsp;kW for, mens motorer over 375&nbsp;kW bruker en forsvinnende liten del av totalen. Det blir dermed av stor betydning i et ressursperspektiv å fokusere på virkningsgrad og energibruk i mindre og mellomstore motorer. Virkningsgraden for mellomstore motorer kan være over 95 %, men ofte velges motorer i industriaplikasjoner som er større enn det som egentlig er nødvendig. Med bedre tilpasning kan en forbedre energiutnyttelsen, det samme gjelder bruk av kraftelektroniske omformere til applikasjoner der driftsforholdene endres mye.

## Terminologi og komponenter
En elektrisk motor er en maskin som omformer elektrisk energi til mekanisk energi, oftest i form av rotasjon. Tre hovedtyper etter bruk av fysiske konsepter er *elektromekaniske*-, *elektrostatiske*- og *piezoelektriske motorer*. Den første kategorien er den altoverveiende mest vanlige, og blir behandlet i denne artikkelen.

For flere typer av elektriske motorer er det ingen prinsipiell forskjeller fra en generator. Den samme maskinen kan altså drives både som motor og generator. Derfor snakker en heller om elektriske maskiner, enn om generatorer og motorer. Imidlertid finnes det mange motortyper som av forskjellige årsaker ikke brukes, eller ikke kan brukes, som generator. Det motsette er også tilfelle. Derimot spiller strømarten en forskjell, dermed gjør en ofte forskjell på vekselstrøms og likestrømsmotorer, selv om det finnes unntak også fra denne regelen.

Ofte snakker en om spesialmotorer når det menes motorer for helt bestemte formål eller lave ytelser. Disse motorene egner seg ofte dårlig for andre formål enn den tiltenkte. Vanligvis dreier dette seg om motorer for enfaseforsyning, bruksområdet er små maskiner i husholdning, industri og kontorer.

Mekanisk består en motor av disse hovedkomponentene:
* *[[Rotor (maskindel)|Rotor]]* som er den roterende del av en motor og som er direkte tilknyttet akselen. Denne er trommelformet og konstrueres ofte av sammenpressede tynne spesiallegerte stålplater (blikkplater, *dynamoblikk*)
* *[[Stator]]en* er den stasjonære del av en motor, også deler av den er ofte konstruert av blikkplater
* Akslingen som bærer rotor og overfører dens moment. Den kan eventuelt også ha påmontert kjølevifte, sleperinger eller kommutator. Denne tilknyttes *arbeidsmaskinen* som motoren driver, for eksemeple en pumpe, mølle, kompressor, etcetera
* Bærende og førende deler som ramme, hus, fundament, lager (ofte kulelagere eller glidelagre) for aksling og annet

Elektriske hoveddeler:
* *Sleperinger* eller *kommutator* alt etter maskintype, vanligvis brukes sleperinger i vekselstrømsmaskiner og kommutator i likestrømsmaskiner
* *Børster* som er den elektriske forbindelsen mellom den roterende sleperingen/kommutatoren og den  eksterne elektriske kretsen
* *Viklingene* er de elektriske ledningene som er anbrakt i enten stator eller rotor, eller begge steder. Disse er elektrisk isolert med et materiale som tåler spenningen som benyttes, samt høy temperatur. Typisk har viklingene mange omdreininger; en enkelt omdreining kalles vinding. Fortrinns brukes såkalt elektrolyttkobber for å få mins minst mulig elektrisk motstand, enten rundt- eller flattråd anvendes. I større motorer brukes mer kompliserte former.
* *Ankeret* er en betegnelse på *arbeidsviklingene* i motoren. Det er disse som fører *hovedstrømmen* som leveres fra den ytre kretsen, vanligvis et kraftsystem. I likestrømsmotorer ligger ankerviklingene på rotor mens de ligger i stator i vekselstrømmotorer.
* *Feltet* er kortform for magnetfeltet i en elektrisk maskin. Felt dannes med *[[elektromagnet]]er* eller eventuelt fra *permanentmagneter* i mindre motorer. En kaller disse for poler med hentyding til at de har forskjellig magnetisk polaritet, enten nord- eller sørpol
* *[[Magnetisk krets|Magnetkretsen]]* er de delene av maskinen som gjennomløpes av magnetiske felter, først og fremst gjelder dette statoren/polene og rotoren. Til dette brukes materialer som lett lar seg magnetiseres, slik at feltene lar seg styre og den magnetomotoriske spenningen holdes lav. Støpestål og valsestål brukes der flukstetheten er lav, ellers brukes tynne blikkplater der magnetfeltene veksler.
* *Luftgapet* er klaringen mellom rotor og stator, og er ofte bare noen få millimeter. Dette er den delen av magnetkretsen med størst magnetisk reluktans (motstand).
* *Magnetiseringsutrustningen* sørger for elektrisk strøm til feltet dersom det dannes av elektromagneter. Magnetiseringen kan skje ved:
:* *Egenmagnetisering* der maskinen selv skaffer strøm for formålet
:* *Fremmedmagnetisering* der en egen utrusting sørger for strøm til feltet. Dette kan være fra batterier, kraftelektronisk omformer eller fra en egen mindre likestrømsgenerator.

## Historisk utvikling
### Teoretisk utvikling
En viktig oppdagelse som lå til grunn for eksperimenter med elektriske roterende innretninger var den danske fysikeren Hans Christian Ørsteds (1777 – 1851) oppdagelse av magnetfelter rundt elektriske ledere. I 1820 oppdaget han at en elektrisk leder vil påvirke en kompassnål til å bevege seg om denne holdes i nærheten av lederen. En tidligere oppfinnelse som gjorde kontrollerte forsøk med elektrisitet mulig var oppfinnelsen av det elektriske batteriet (Voltasøylen), utført av den italienske vitenskapsmannen Alessandro Volta (1745 – 1827). Mange oppfinnere og vitenskapsmenn studerte elektromagnetiske fenomener, og søkte etter praktiske anvendelser for elektrisitet. Disse arbeidet ofte helt uavhengig av hverandre, og nye oppdagelser ble gjort nesten daglig.

Den franske matematikeren og fysikeren André-Marie Ampère (1775 – 1836) studerte sammenhengen mellom magnetisme og elektrisitet samtidig med Ørsted. Regelen som for ettertiden er kjent som Ampères sirkulasjonslov, forteller om forholdet mellom magnetisk flukstetthet og strømstyrken i en leder. Denne grunnleggende oppdagelsen ble gjort i 1820 og publisert noen få år senere.

I 1831 oppdager den britiske fysikeren Michael Faraday (1791 – 1867) at et magnetisk felt kan påvirke en elektrisk leder slik at det oppstår en elektromotorisk spenning (EMS) i den. Denne oppdagelsen er senere kjent som Faradays lov, og fenomenet omtales som elektromagnetisk induksjon. Omtrent samtidig gjør den amerikanske fysikeren Joseph Henry (1797 – 1878) den samme oppdagelsen. Dette er den motsatte fysiske prosessen av den som Ørsted hadde oppdaget. Induksjon er for øvrig det fysiske grunnlaget for virkemåten til en generator, selv om også induksjon skjer i en elektrisk motor. 
Mer spesifikt er den elektromotoriske spenningen \mathcal{E} er proporsjonal med den tidsderiverte av magnetiske flukstetthet:

: \mathcal{E} = -. Strømmen i hver ledning til motoren blir lik strømmen i hver vikling, og blir en tredjedel av strømmen i trekant-kobling. Motormomentet er proporsjonalt med kvadratet av spenningen, dermed blir det redusert til en tredjedel av momentet ved full spenning over viklingene.

Brytere og releer som er nødvendig for at disse omkoblingene skal skje kan monteres i et eget koblingsskap ved siden av motoren. Ved hjelp av turtallsmåling direkte på motoren kan riktig tidspunkt for omkoblingen skje helt automatisk via et turtallsrele.

#### Start av asynkronmotor med startmotstander

Lenger opp ble det beskrevet at viklet rotor også er vanlig for asynkronmaskiner. Denne har sleperinger for tilknytting av eksterne regulerbare motstander. Ved å regulere disse motstandene kan motorens karakteristikk ved start påvirkes ved at startmomentet økes, samt at startstrømmen og det reaktive effektopptaket reduseres. Til høyre er det vist symbolet til en motor med sleperinger og regulerbare startmotstander. Startmotstanden består av tre resistanser som med en regulerbar enhet kan reguleres fra stor til liten verdi. Startmotstandene kan også være delt opp i mange enheter som kobles ut og inn av brytere som styres automatisk under startforløpet.

I bildet under til høyre er det vist moment/turtall-karakteristikken for en motor med syv startmotstander. Under oppstartforløpet kobles disse ut etter tur, og momentet endres som den blå kurven viser. Den åttende og siste kurven viser momentkarakteristikken etter at det syvende og siste startmotstandstrinnet er koblet ut. Her er viklingene helt kortsluttet og normale forhold for drift inntrer.

Arbeidsmaskinens moment/turtall-karakteristikken er vist med svart kurve. I dette spesielle tilfellet kjennetegnes den av meget stort moment ved lavt turtall, faktisk er momentet ved omtrent en tredjedels turtall større enn ved normalt turtall. Uten startmotstandene ville ikke motoren kunne greid å starte opp denne arbeidsmaskinen. Det sees ved at moment/turtall-karakteristikken ved normal drift, altså kurven med kippmoment lengst til høyre, har et område som ligger under arbeidsmaskinens kurve.

#### Noen andre startmetoder for asynkronmotorer
Noen andre startmetoder er *primærimpedansstart* der det kobles inn motstander i faselederne til motoren. Dette fører til lavere spenning for motoren som igjen gir redusert strøm, turtall og moment. *Starttransformator* er en metode som brukes for motorer med burvikling og ytelse typisk over 500&nbsp;kW. Transformatoren har gjerne flere trinn slik at oppstarten skjer i flere tinn med redusert spenning. Helt til slutt i startforløpet kobles transformatoren helt ut. En annen startmetode er *Kusa-kobling* der en motstand settes inn i bare en av faselederne. Dette brukes blant annet for å redusere startmomentet.

#### Start av asynkronmotor med kraftelektronisk omformer

Startmetodene beskrevet over er tradisjonelle metoder, men med kraftelektronikk har nye metoder blitt vanlige. Bildet til høyre viser et eksempel på en såkalt «soft-starter», eller på norsk «mykstarter». Tyristorene som blir styrt av enheten kalt «Softstart controller» sørger for at spenningen til asynkronmotoren blir redusert til et lavere nivå enn normalt. Hver av disse enhetene slipper strøm og spenning gjennom i bare en retning. Dermed kan «pulser» av sinusformet strøm og spenning slippes gjennom. Softstarteren kan være så enkel at den øker spenningen fra null til full spenning, uten å ta hensyn til størrelsen av strømmen og motorens turtall. En mer avansert enhet kan kontrollere oppstartsekvensen med hensyn på turtall eller strøm. Dette skjer ved at parametrene måles, slik at ønskes respons kan oppfylles.

I tillegg til alle disse kompliserte startmetodene forklart i de siste avsnittene over, er det viktig å være klar over at motorfabrikanten en gang for alle har bestemt asynkronmaskinens strøm- og momentkarakteristikk ved konstruksjonen. Det er nemlig slik at forholdet mellom resistans og reaktans i rotoren bestemmer disse egenskapene. En annen ting er at frekvensen i rotoren endres fra nettfrekvens (50 eller 60&nbsp;Hz) når rotoren står stille (med det samme spenningen slås på), til å få en verdi på mellom 2 eller 3&nbsp;Hz ved normal hastighet. Ved å utnytte *[[skinneffekt]]en* kan resistansen gjøres avhengig av denne frekvensen, som igjen blir en avhengighet av rotorens turtall. Skinneffekt vil si at for en leder som fører strøm med stor frekvens, vil strømmen tendere mot å gå i lederens overflate. Dermed blir den ohmske motstanden stor. Derimot vil motstanden bli liten ved lav frekvens når strømmen ikke lenger bare går i lederens overflate. Motorkonstruktøren kan dermed påvirke karakteristikkene en hel del bare med å velge utforming av rotorstavene.

#### Bremsing av asynkronmaskinen
Ved drift av for eksempel verktøymaskiner kan det være nødvendig å stanse driften meget hurtig. En asynkronmotor kan hurtig bremses ned ved at to av faseledningene byttes om. Dette bevirker at dreiefeltet plutselig skifter retning, noe som gir et stort bremsende moment. Motoren må da forhindres i å akselerere opp i motsatt retning, om det er hurtig stans som er ønsket. Et turtallsrele som måler turtallet og kobler fra bryterne sørger for ønsket funksjon. Brytere som styres med releer kan gjøre dette automatisk ved at operatøren kun trykker på en knapp.

I en heisekran der en last skal senkes kontrollert ned er bremsing viktig. Med en asynkronmotor med viklet rotor kan det settes inn stor ekstern motstand i rotorkretsen ved senking av lasten. Om en tenker seg motoren i normal drift der en gradvis øker rotormotstanden vil den til slutt stoppe. Dette skjer når motorens moment er likt momentet fra arbeidsmaskin; i dette tilfellet lasten i en heisekran. Økes motstanden enda mer vil motoren rotere i motsatt retning, og lasten i heisekranen senkes, noe som kalles *motstrømsenkebremsekobling*. Denne metoden kan kombineres med å snu om på to av motorens tilførselsledninger, noe som kalles *oversynkron sakbremse* med *sakkingsresistans*. I disse tilfellene vil asynkronmotoren levere effekt til nettet, med andre ord virker den som generator.

#### Styring av omdreiningstallet i trinn

En asynkronmotor er i hovedsak en maskin for konstant hastighet, der turtallet for en maskin med burvikling har et fall på typisk 5 % fra tomgang til fullast. En meget enkelt metode for å regulere turtallet er å endre antallet poler, dette ble forklart lenger opp å være bestemmende for synkronhastigheten. Som forklart har ikke asynkronmotorens stator synlige poler, disse roterer og antallet er bestemt av hvordan viklingene i statoren er utført. Det er dermed mulig å lage viklingene slik at antallet poler kan endres i trinn. Tegningen til høyre viser *Dahlander-koblingen* der to koblinger er mulig for viklingene i en og samme maskin. Her er det seks viklingsgrupper og seks terminaler. I tegningen til venstre er viklingene koblet i trekant for lavt turtall, mens de til høyre er koblet i *parvis parallell med dobbel stjernekobling*. I det siste tilfellet får motoren to poler og om frekvensen er 50&nbsp;Hz blir synkront turtall 3000&nbsp;r/min, mens i det første tilfellet blir synkront turtall 1500&nbsp;r/min.

Lenger opp ble det beskrevet at viklet rotor kan brukes for endring av egenskapene ved start. Ved å regulere disse motstandene kan hastigheten til rotoren styres i normal drift. Virkemåten er at økt motstand i rotoren fører til lavere strøm, lavere strøm fører igjen til at sakkingen øker, samtidig som momentet avtar. En ulempe med denne metoden er dårlig virkningsgrad ved lav hastighet og dårlig hastighetskontroll ved endring av arbeidsmaskinens effektbehov.

#### Asynkronmaskin uten trefaseforsyning

En trefase asynkronmotor i drift vil kunne fortsette å gå selv om en av faselederne kobles fra, men turtallet vil synke alt etter hvor stort moment arbeidsmaskinen krever. Om motoren med bare to faseledere blir tilkoblet nettet vil den ikke kunne starte, men om den gis en vridning kan den dyttes i gang, forutsatt at lastmomentet ikke er for stort. Den kan da starte å rotere i begge retninger, alt etter hvilken retning den dyttets. Lenger ned blir forholdene i enfasede asynkronmotorer forklart.

I spesielle tilfeller kan en trefase asynkronmotor kobles opp slik at den får startmoment selv om den tilknyttes et enfase-nett. Dette kan være nyttig der det ikke er tilgang til et trefase kraftsystem. Det kan for eksempel være at en abonnent kun har enfase tilførselsledninger (to faseledninger i IT-system eller faseleder og N-leder (nøytralleder) i TN-system).

En løsning på dette er den såkalte *Steinmetz-koblingen* der en kondensator kobles til motorens ene terminal, slik som illustrasjonen til høyre viser. Det som oppnås med dette er faseforskyvning av strømmene i motorens statorviklinger, noe som gir et dreiefelt som får motoren til å løpe rundt. En ulempe med dette er redusert moment. Det finnes flere variasjoner for hvordan dette konseptet kan utnyttes: Kondensatoren kan enten være tilkoblet kontinuerlig, eller bare ved start.

#### Asynkronmaskinens turtall styrt med kraftelektronikk

Med utviklingen av kraftelektronikk har asynkronmotoren fått enkle og billige løsninger for hastighetskontroll. Bildet til høyre viser en enkel frekvensomformer for asynkronmotordrift. Som navnet sier blir trefaset vekselstrøm omformet til høyere eller lavere frekvens enn nettfrekvensen. Dette påvirker direkte hastigheten til statorens dreiefeltet, altså den synkrone hastigheten til dreiefeltet. Andre metoder har også blitt brukt, og en stadig utvikling på dette feltet skjer.

Tegningen til høyre viser hvordan omforming for turtallstyring skjer med såkalt Puls-bredde modulasjon, eller PBM-modulasjon, som har vært en mer og mer vanlig metode siden begynnelsen i 1960-årene Til venstre i illustrasjonen er det seks dioder som likeretter spenningen fra de tre faselederne. Den likerettede spenningen blir så tilført vekselretteren som består av de seks tyristorene til høyre. Enheten mellom likeretteren og vekselretteren kalles mellomleddet, og kondensatoren som tegningen viser skal opprettholde jevn spenning her. Kontrollenheten med de røde ledningene til hver av tyristorene lukker og åpner disse etter et spesielt mønster. Enkelt forklart slipper tyristorene ut pulser av spenning med lik amplitudeverdi, men med variabel lengde av pulsene. Derav navnet puls-bredde modulering. Dermed får motoren til høyre i tegningen tilført en slags trefase spenning som den «oppfatter» som en vekselspenning. Motoren kan dermed få kontrollert turtallet innenfor et stort område. Slike motorstyringer er mye brukt i all type industri.

På mange måter erstatter denne typen kraftelektronikk alle de tradisjonelle metodene nevnt over for oppstart, stopp, bremsing og kontroll av turtallet for asynkronmaskiner. Det er heller ikke nødvendig å tilføre asynkronmotoren trefase strøm, den kan tilknyttes et kraftnett med enfase eller likestrøm. Derfor er denne typen motordrift brukt i tog og trikker, som kan ha strømforsyning med enfase 50&nbsp;Hz, enfase 16,7&nbsp;Hz eller likestrøm.

#### Fordeler og ulemper med asynkronmotoren
Asynkronmotoren er på grunn av sin enkle oppbygging svært driftsikker og billig. Den kan konstrueres for meget høy virkningsgrad, over 95 % for maskiner av en viss størrelse er ikke uvanlig. Typisk kan virkningsgraden være over 95 % for asynkronmotorer større enn 15&nbsp;kW, men en del lavere for små motorer. Lenger ned blir normer for virkningsgrad beskrevet.

En ulempe med asynkronmotoren er at den trekker en del reaktiv effekt for magnetisering. En annen ulempe er startkarakteristikker som kan være problematiske, spesielt meget store strømmer ved direkte start av store arbeidsmaskiner. Disse ulempene kan imidlertid i stor grad unngås med kraftelektroniske omformere, eller med de andre metodene som er nevnt.

En asynkronmotor kan også brukes for generatordrift, spesielt i mikro- mini- og småkraftverk er den mye brukt på grunn av mulighet for enkel tilknytningsform. I slike tilfeller går den alltid i tilknytning med overliggende kraftsystem som sørger for konstant spenning og frekvens, samt forsyner generatoren med nødvendig reaktiv effekt.

### Synkronmotoren

Synkronmaskinen er så å si enerådende som generator i kraftverk, men nokså sjeldent brukt som motor. Der den brukes som motor er det ofte behov for konstant og gjerne også lavt turtall, samt store effekter. I slike tilfeller kan den tilby høy virkningsgrad.

Tradisjonelt har turbiner vært anvendt for motordrifter i industrisammenheng som krever svært høy effekt, men i de siste årene har synkronmotorer vunnet innpass også her, da som firepolte maskiner.

#### Oppbygging og virkemåte
For en synkronmaskin er det ingen prinsipielle konstruksjonsmessige forskjeller på motor- og generatorer. I for eksempel et pumpekraftverk er det gjerne den samme generatoren som drives av turbinen, som går over i motordrift og drar pumpen når magasinet skal fylles.

Bare med svært få unntak er ankeret, altså viklingene som er tilkoblet det eksterne kraftnettet, i statoren. Feltviklingen er på rotoren og blir matet med likestrøm via sleperinger. Statoren og dens viklinger utformes i prinsippet helt likt med asynkronmaskinen, som ble forklart over. Når denne tilknyttes et trefaset kraftnett produseres et magnetisk dreiefelt som roterer med synkron hastighet, der hastigheten er bestemt av antallet poler og nettets frekvens. Ofte har rotoren *utpregede poler* med *konsentrerte viklinger*, eller om hastigheten er stor kan *sylindrisk rotor* anvendes. Sylindrisk rotor er laget av massivt stål med utfresende spor for viklingene. Den har typisk liten diameter i forhold til lengden. Rotor med utpregede poler er sammensatt av flere deler, derfor er den mekanisk sett ikke så godt egnet for store hastigheter som den sylindriske.

Over til høyre er en tegning av en rotor med fire poler for stor hastighet. Denne er produsert i USA hvor 60&nbsp;Hz benyttes som nettfrekvens, det vil bety at rotasjonshastigheten er 1800 r/min.



**Ligninger for synkron- og asynkronmotoren**

Rotasjonshastigheten *n* (r/min) til dreiefeltet er gitt av frekvensen *f* (Hz) i kraftsystemet og antallet poler *P* i statoren er gitt av:

n = \frac{120 f}{P}

Indusert elektromotorisk spenning i statoren (ankeret) er gitt av uttrykket:

E = \sqrt{2} \pi f N \Phi

der *π* er pi (3,14) og *Φ* er magnetisk luftgapsfluks per pol (Wb), de andre parametrene er de samme som definert over. *E* er forøvrig effektivverdien (rms) av spenning i volt. Sammenhengen blir noe mer komplisert med såkalte distribuerte viklinger. Som formlene viser er både rotasjonshastighet og indusert spenning bestemt av frekvensen og antallet poler i statoren.

Elektrisk effekt avgitt på akslingen *P* kan en finne om en kjenner motorens tilknyttede spenning og strøm:

P = \sqrt{3} \eta I U cos \varphi 

der *η* er virkningsgraden, *I* er strømmen, *U* er spenningen, og cos *φ* er effektfaktoren. Dette gjelder for en trefasemotor, for en enfasemotor (som er mest aktuelt for en asynkronmotor, og ikke for synkronmotorer) blir uttrykket:

P =  \eta I U cos \varphi 

Disse ligningene for effekt gjelder for øvrig generelt for alle type elektriske belastninger.


En kan si at en synkronmaskin med rotor med utpregede poler har omvendt utforming av en likestrømsmaskin; de utpregede polene er flyttet fra stator til rotor og sporene i rotoren er plassert langs statorperiferien. Rotoren har like mange poler som statoren, og dens hastighet er eksakt lik synkron hastighet, derav navnet.

Som nevnt tilføres rotoren likestrøm via sleperinger som er elektrisk tilknyttet viklingene der strømmen overføres via kullbørster. Dette er mye likt utformingen forklart for kommutatoren i en likestrømsmotor, forskjellen er at sleperingene, som navnet antyder, består av glatte ringer. Effekten som trengs for magnetisering av rotoren er bare én til noen få prosent av ytelsen til hele maskinen. Ofte blir denne likestrømmen produsert av en likestrømsgenerator som står på aksling til generatoren. Denne kalles for *magnetiseringsmaskinen*. I mer moderne maskiner er det vanlig at denne magnetiseringsutrustningen består av likerettere i form av kraftelektronikk. Uansett utforming er det vanlig at utrustningen for magnetisering har en spenningsregulator. Denne skal sørge for at spenningen og reaktiv effektproduksjon holdes konstant ved varierende belastning av motoren. Regulatoren kan også i noen tilfeller mangle helt.

Rotoren, eller *polhjulet* som det oftest kalles for synkronmaskiner, setter opp en roterende magnetisk fluks som virker til å indusere en elektromotorisk spenning i statorens ankerviklinger. For en generator vil denne spenningen være årsak til at det går strøm i statoren når den eksterne kretsen, altså kraftsystemet den er en del av, er tilknyttet. Statoren vil på sin side også sette opp en roterende magnetisk fluks når den fører strøm. Disse to dreiefeltene vil ha en sterk tendens til å innrette seg på linje i forhold til hverandre, noe som forårsaker et elektromagnetisk moment. I en generator virker dette momentet mot bevegelsen fra turbinen, mens i en motor vil momentet virke til å dreie en tilknytte arbeidsmaskin rundt. En kan si at det elektromekaniske momentet er selve mekanismen som forårsaker energikonvertering.

Ikke bare ved generatordrift induseres det elektromotorisk spenning i statorens *ankerviklinger*, det samme skjer i motordrift. Forskjellen er at spenningen på maskinens terminaler, altså spenningen som det tilknyttede kraftsystemet gir, er større enn indre indusert elektromotorisk spenning. Ved generatordrift er forholdet motsatt mellom spenningen på terminalene og indre spenning.

Ved motordrift under stabile forhold vil det elektriske momentet være i eksakt balanse og i motsatt retning av arbeidsmaskinens moment. Den magnetiske fluksen fra strømmen i stator roterer litt foran fluksen fra polhjulet. Det motsatte er tilfelle i en generator. I både generator og motordrift produseres elektromekanisk moment, den eneste forskjellen er at ved motordrift er det fluksen fra statorstrømmen som ligger foran polhjulet. Tenker en seg den magnetiske fluksen fra statoren representert med en vektor, og fluksen fra rotoren som en annen vektor, vil disse to vektorene ha en vinkel mellom seg. Denne kalles for *polhjulsvinkel*, og størrelsen av denne vinkelen er avhengig av hvor stort det elektromagnetiske momentet er. Om polhjulsvinkelen er positiv eller negativ avhenger av om synkronmaskinen går som motor eller generator.

Sleperinger og børster er gjenstand for slitasje og feil, derfor har det blitt stadig mer vanlig med såkalte *børsteløse synkronmaskiner*. Dette går ut på at det istedenfor børster settes på en liten trefase generator på akslingen, denne er tilknyttet en diodelikeretterbro som tilfører rotoren likestrøm. Til denne ekstra generatoren kan statoren være tilknyttet likestrøm som forsynes utenfra, altså har den et stillestående anker. Energien til magnetisering av rotoren overføres dermed via magnetiske felter, helt uten mekanisk kontakt. Konseptet kalles derfor også *roterende likeretter*. Andre utforminger enn den som er nevnt her finnes også.

Som nevnt har synkronmotoren synkront turtall bestemt av frekvensen i kraftnettet, dermed vil heller ikke endringer av belastningen, altså momentet fra arbeidsmaskinen, kunne påvirke turtallet. Om derimot motoren blir overbelastet kan den «slippe», eller «falle ut av synkronisme». Da reduseres det drivende momentet og motoren slutter å rotere. Samtidig oppstår kraftige mekaniske vibrasjoner som kan være skadelige.

Om det er ønskelig med turtallsregulering kan synkronmotoren tilknyttes en kraftelektronisk frekvensomformer på omtrent samme måte som asynkronmotoren.

;Forskjellige komponenter i synkronmaskiner

Fil:Fotothek df n-19 0000042 Elektromaschinenbauer.jpg|Statoren til en stor motor før viklingene settes inn. Dresden, Øst-Tyskland, 1978.
Fil:Fotothek df n-19 0000051 Elektromaschinenbauer.jpg|Fagarbeidere setter inn statorviklingene. Disse kalles *viklere* som er et høyst spesialisert håndverk. Dresden, Øst-Tyskland, 1978.
Fil:Fotothek df n-19 0000087 Elektromaschinenbauer.jpg|Nesten ferdige statorviklinger. Dresden, Øst-Tyskland, 1978. 
Fil:Fotothek df n-19 0000068 Elektromaschinenbauer.jpg|Lodding av statorviklinger i en større synkronmaskin. Dresden, Øst-Tyskland, 1978.
Fil:Fotothek df n-19 0000074 Elektromaschinenbauer.jpg|Fagarbeider monterer delene til en større synkronmaskin. Legg merke til deler av lagret på gulvet. Dresden, Øst-Tyskland, 1978.
Fil:Umformer E1 KA Motor.jpg|Motor med ytelse 25 MW for roterende omformer for banestrømforsyning.
Fil:Amsteg-laeuferversorgung.jpg|Sleperinger og børster for en synkronmaskin
Fil:EASTSIDE PLANT- GENERAL VIEW OF GENERATOR AND EXCITER - American Falls Water, Power and Light Company, Island Power Plant, Snake River, below American Falls Dam, American Falls, HAER ID,39-AMFA,1-49.tif|Synkronmaskin med magnetiseringsmaskinen til høyre foran. 


#### Oppstart av synkronmotoren
Synkronmotoren er vanligvis ikke selvstartende, det vil si at selv om statoren tilknyttes kraftnettet og det oppstår et dreiefelt, vil rotoren som i utgangspunktet står stille, ikke greie å følge med.

Oppstart av synkronmotoren kan skje ved hjelp av de såkalte *dempeviklingene*. Disse viklingene er staver som er lagt inn i rotorens poler i aksiell retning, i hver ende er de tilknyttet en kortslutningsring. Disse ligner med andre ord på asynkronmotorens burvikling. Hensikten med dempeviklingene er å dempe svingninger i rotoren som har sin årsak i forhold i kraftsystemer. Disse dempeviklingene gjør at synkronmotoren kan startes som en asynkronmotor. I magnetiseringsviklingene i rotoren vil det under oppstarten bli indusert en vekselspenning, denne avtar mot null når hastigheten nærmer seg synkront turtall. Når denne spenningen er nærmer null er det riktig tidspunkt for å koble inn magnetiseringsstrømmen. Dermed kan denne spenningen måles og brukes som indikasjon på at synkron hastighet er oppnådd ved automatisk oppstart. Først når magnetiseringen er innkoblet fortsetter maskinen å gå med synkron hastighet, også om belastningen øker.

#### Fordeler og ulemper med synkronmotoren
Synkronmaskinen har som nevnt høy virkningsgrad og gir mulighet for regulering av reaktiv effektproduksjon. Dette kan i det lange løp gi økonomiske fordeler. Den egner seg best for motordrifter med lavt turtall. Som beskrevet over har den visse utfordringer ved oppstart. Den er også mer kostbar enn asynkronmaskinen med sin svært enkle rotor.

## Spesielle motorer for mindre ytelser eller bruk

På engelsk er det definert en samlebetegnelse for små motorer med ytelse under en hestekraft, de såkalte *fractional horsepower motors*, som direkte oversatt betyr «brøkdels hestekraft-motorer». En passende norsk betegnelse kan være motorer med liten ytelse. Felles for disse er at de er billige å produsere for bruk i forskjellige typer apparater i husholdninger, kontorer og industri. Mange av disse små motorene lages for enfase strømforsyning. Det finnes mange flere typer og variasjoner av motorer innenfor denne kategorien enn for store motorer. En av årsakene til at disse motorene er billige er at de produseres i svært store serier.

Enfase asynkronmotorer benyttes i stor utstrekning, da disse er støysvake og vedlikeholdsfrie. Seriemagnetiserte likestrømsmotorer kan tilknyttes vekselspenning, de kalles da for universalmotorer, og brukes i stor utstrekning der det er behov for hastigheter over 3000&nbsp;r/min. Flere av motortypene i dette kapittelet er nødvendigvis ikke små, for eksempel kan motorer med permanente magneter brukes der det er behov for store effekter.

De spesielle motorenes virkemåte er i stor grad basert på de samme prinsippene som hovedtypen av motorer presentert over, men de er gjerne kombinasjoner av konsepter og konstruksjonsdetaljer fra flere av disse.

### Enfaset asynkronmotor
Enfase asynkronmotorer har burvikling og stator som ligner mye på utformingen i en trefase motor. Forskjellen er at statorviklingene lages for forsyning for kun en fase (to faseledere) fra kraftsystemet. På sitt aller enkleste kan en slik motor ha viklinger distribuert i spor langs statoren. Det oppstår da ikke noe dreiefelt med kun én vekselstrøm tilført, snarere ett pulserende felt, dermed starter ikke rotoren av seg selv ved tilkobling til kraftnettet. Men rotoren kan settes i bevegelse ved eksterne anordninger, noe som får maskinen i gang. Dette er mye likt tilfellet som ble nevnt lenger opp, der det ble forklart hva som skjer i en trefase asynkronmotor om en av faselederne fjernes Enfase asynkronmotorer klassifiseres etter den metoden som brukes for å få dem til å starte. Valg av metode kommer an på ønsket turtall-momentkarakteristikk, moment ved start, driftssyklus, ønske om å begrense startstrømmen, samt kostnader.

Tegningen til høyre viser skjematisk oppbyggingen av en enfase asynkronmaskin med hovedvikling, merket U1 – U2 og *hjelpevikling* eller også kalt *startvikling*, merket V1 – V2. I en slik maskin er rundt 2/3 av sporene i statoren benyttet til hovedviklingen, resten er benyttet til hjelpeviklingene. Som tegningen antyder har hjelpeviklingen sin akse 90° på hovedviklingens akse. For å få maskinen til å bli selvstartende må det være en tidsforskyvning mellom de magnetiske feltene fra hver av viklingene, det er nemlig dette som gir et dreiefelt fra statoren. Tegningen viser en kondensator C, som gir den nødvendige faseforskyvningen når denne er innkoblet via bryteren S. Når motoren har oppnådd en viss hastighet kobles kondensatoren ut og maskinen fortsetter å gå med hjelpeviklingen utkoblet. Denne typen *hjelpefasemotor* med *startkondensator* brukes for kompressorer, pumper, kjøleskap og luftkondisjoneringsanlegg der det kreves høyt moment ved start. En ulempe med denne motoren er lav effektfaktor, typisk cos φ = 0,5 – 0,6.

En annen og enda enklere startmetode er en maskin med hjelpefase der det er forskjellig forhold mellom resistans og reaktans i de to viklingene. En enkel måte å oppnå dette på er å la hjelpeviklingen ha et noe mindre tverrsnitt enn hovedviklingen. Koblingen blir lik illustrasjonen til høyre, bare at kondensatoren mangler. Også for denne metoden brukes en bryter for å koble ut hjelpeviklingen når turtallet er høyt nok. En slik motor får moderat startmoment, den passer derfor for vifter, sentrifugalpumper, kontorutstyr og apparater med lavt moment ved lavt turtall.

Det er utviklet andre motortyper der kondensatoren ikke kobles ut ved drift, eller der det er to kondensatorer, en for start og en som alltid er tilkoblet.

### Vekselstrøms universalmotor
Den seriemagnetiserte likestrømsmotoren kan også tilknyttes vekselstrøm. Årsaken til dette er at det magnetiske feltet fra polene skifter polaritet samtidig som feltet fra ankret skifter retning. Dette gjør riktignok at momentet pulserer i takt med vekselspenningens sinuskurve, men motoren har allikevel én rotasjonsretning. Motorens pulsering vil ha frekvens som er dobbelt så stor som frekvensen til kraftnettet. Til tross for dette vil denne typen motorer ha en karakteristikk mye lik en tilsvarende likestrømsmotor. Disse motorene brukes der liten vekt er viktig, som for eksempel i støvsugere, kjøkkenutstyr og elektrisk verktøy der hastigheten gjerne ligger i intervallet 1500 til 15&nbsp;000&nbsp;r/min.

Når det gjelder kostnad i forhold til ytelse, er disse motorene de gunstigste av alle små-motorer. Imidlertid er ulempene mye støy, kort livslengde og store hastigheter. Hastigheten til universalmotoren kan enkelt kontrolleres ved hjelp av tyristorer som regulerer spenningen. Dette kan gjøres enkelt manuelt av brukeren uten at noen regulator er del av utrustningen.

I denne artikkelen er det flere bilder som viser komponenter fra denne typen motor.

### Repulsjonsmotor

En universalmotor som omtalt ovenfor kan kobles opp uten at rotorviklingene er tilknyttet den eksterne kretsen. Det er mulig å koble sammen børstene med en leder med liten motstand, noe som gir en repulsjonsmotor. Når så statorviklingene tilknyttes vekselstrøm fra kraftsystemet vil det oppstå et pulserende magnetisk felt som induserer spenning i rotoren, når så kommutatoren via børstene er kortsluttet går det strøm i rotorviklingene. I neste omgang fører dette til at det oppstår et drivende moment på rotoren.

Fordelen med repulsjonsmotoren er at rotasjonshastigheten kan varieres innen vide grenser uten bruk av noen hjelpeapparater. Den brukes for drifter med lavt ytelse, og der det er ønsket med enkel hastighetsstyring.

Tabellen til høyre viser skjematisk hvordan en slik motor kan styres kun ved å vri på børstenes (de sorte rektanglene) plassering i forhold til kommutatoren. Viklingen med terminaler U og V er tilknytningen til strømforsyningen. Rød kurve viser magnetfeltet fra feltet og rotoren.

### Skyggepolmotor

Skyggepolmotoren, eller også kalt spaltepolmotoren, er sammensatt av en kortslutningsrotor på samme måte som asynkronmotoren. Selv om den tilknyttes enfase vekselspenning, oppstår et roterende felt fra statoren ved hjelp av de spesielle skyggepolene. Statoren er laget med utpregede poler med konsentrert vikling, men en del av polen har en spesiell spalte med en unnsatt ring av kobber. Det øverste bildet viser dette for en utførsel med hele to ringer på hver side av statoren. Det pulserende magnetiske feltet som settes opp av magnetfeltet blir forsinket i den del av statoren med ringene. Her blir det nemlig skapt et motindusert felt på grunn av strømmen som induseres i ringene. Resultatet av dette er noe som ligner et dreiefelt som får rotoren til å rotere.

Denne motoren har lav virkningsgrad, gjerne ikke større enn 30 – 40 %, lav effektfaktor på typisk cos φ = 0,3 – 0,4, men den er meget billig og enkel. Dens bruksområde er leketøy, hårtørkere og små vifter.

### Reluktansmotor
De asynkromotorene som til nå er beskrevet kan gjøres om til en selvstartende synkronmotor av reluktanstypen. Magnetisk reluktans er nevnt tidligere, og er et begrep fra analysen av magnetiske kretser. Reluktans kan sammenlignes med ohmsk motstand i en elektrisk krets. Altså en parameter som sier noen om motstanden for den magnetiske fluksen. En reluktansmotor har en rotor som gjør at reluktasen for den blir en funksjon av dens vinkel i forhold til aksen til statorens dreiefelt. En slik rotor kan en tenke seg konstruert ved at noen av tennene i en kortslutningsrotor tas vek. Altså en del av blikket i tverrsnittet av rotoren fjernes, slik at den til forveksling ligner noe på en rotor med utpregede poler. Rotoren må dessuten være symmetrisk, dessuten slik at stavene med kortslutningsringer fremdeles er tilstede. Selve statoren kan være av typen som for en asynkronmaskin for trefase eller enfase.

Motoren vil da starte som en asynkronmotor der rotoren har et slipp i forhold til synkron hastighet. Det vil være et *reluktansmoment* tilstede på grunn av rotorens tendens til å stille seg i den posisjonen i forhold til det roterende magnetiske fluksen som gir minst reluktans. Om lasten som virker på motoren ikke er for stor, vil den akselerere videre fra slipphastighet til synkronhastighet.

### Hysteresemotor
Fenomenet hysterese kjennetegnes ved at et ferromagnetisk materiale som jern ikke har et lineært forhold mellom den magnetiske feltstyrken *H* og den magnetiske flukstettheten *B*. Den magnetiske feltstyrken kan være satt opp av en elektrisk spole som omslutter materialet. Om denne spolen tilknyttes en spenningskilde slik at det går en sinusformet strøm gjennom spolen, vil den magnetiske fluksen gjennomløpe en spesiell kurve: En S-formet kurve for økende strøm og en annen, noe forskjøvet kurve, for minkende strøm. Disse to forskjøvne S-formede kurvene kalles hysteresekurve. Dette forklares ved at de atomære dipolene som er i jernet stiller seg i posisjon i forhold til magnetfeltets flukslinjer, men at de motsetter seg forandring. Selv om magnetfeltet tas bort vil en del av denne posisjoneringen til dipolene bli stående. En sier at jernet er magnetisert, og det kan være i denne tilstanden lenge.

Dette fenomenet utnyttes i en spesiell type motor som brukes i klokker, dreieskiven på platespillere og andre apparater der svært jevnt startmoment, samt jevnt turtall er ønskelig.

Hysteresemotoren har en sylindrisk rotor som er helt glatt, uten spor eller vindinger. Den er laget av et såkalt *hardt magnetisk* materiale. Det vil si at det ikke så lett lar seg magnetisere. Statoren har spor med vindinger, for eksempel kan stator som for den enfasede asynkronmotoren med startvikling og -kondensator brukes.

Dreiefeltet i statoren oppstår når motoren tilknyttes kraftnettet, dette vil få rotoren til å akselerere om dens elektromagnetiske moment er større en motmomentet fra lasten. Så lenge rotoren løper rundt med turtall lavere enn synkront turtall vil enhver magnetisk dipol i den gjennomløpe en stadig repeterende hysteresekurve. Hvor fort hysteresekurven repeteres er avhengig av slippfrekvensen, altså forskjellen i turtall mellom rotor og dreiefelt. Mens rotoren akselerer vil polhjulsvinkelen, altså vinkelen mellom vektoren som representerer fluksen fra rotor og vektoren fra fluksen fra stator, være konstant fordi denne avhenger av hysteresekurven, men er uavhengig av hastigheten som hysteresekurven gjennomløper. Dermed utvikles konstant moment under hele akselerasjonsforløpet opp til synkron hastighet. Deretter holder den synkronhastighet så lenge motmomentet ikke er for stort.

### Skrittmotor

En skrittmotor er en slags vekselstrømsmotor som er konstruert for å rotere et vist antall grader for hver elektrisk puls den får fra kontrollenheten som styrer den. Hvert steg kan typisk være fra mindre enn 1° til 15°, eller enda større. Skrittmotorer brukes i forbindelse med digitale elektroniske systemer, og kan kun fungere sammen med sin kontrollenhet. Den får sine signaler i form av pulstog uten at det er noen sensor som måler responsen. Med andre ord er den del av en åpen-sløyfe reguleringssystem: Antallet elektriske pulser som sendes til motoren er nok til å kjenne dens posisjon. Typisk bruksområder er motordrift for mating av papir i printere, plottere som beveger en penn over et papir, posisjonering av skrivehodet i harddisker og posisjonering av redskaper i verktøymaskiner.

Illustrasjonen til høyre viser en enkel skrittmotor for seks faser og en firepolet rotor. Rotoren kan enten være ferromagnetisk eller ha permanentmagneter. Etter som viklingene fører strøm i tur og orden vil maskinen bevege seg i gradene 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300° og 360°, der bevegelsen fra 0° til 60° er vist i sekvensene A til B. Kontrollenhetens oppgave er altså å spenningssette riktige viklinger suksessivt.

Skrittmotorer finnes i mange forskjellige utførelser, der prinsippene som utnyttes er rotorer med variabel reluktans, med permanente magneter og hybrider av disse. Animasjonen til høyre viser en stegmotor med tagget rotor med fire faser av variabel-reluktans-typen. Rotoren har en rekke tagger og hver av statorpolene har også tagger. Legg merke til at antallet tagger på rotoren og på polene er slik at tennene står rett overfor hverandre bare for en bestemt rotorposisjon. Det er nettopp dette som gjør at rotoren vil få en bestemt posisjon når en av fasene fører strøm. Posisjonen der alle taggene står over ett er den foretrukne fordi reluktansen da er minst. Denne typen motor egner seg spesielt der lav hastighet, høyt moment og presis vinkelbevegelse er ønsket. Altså mange av de samme bruksområdene som nevnt innledningsvis for skrittmotorer generelt.

### Permanentmagnetiserte likestrøms- og velselstrømsmotorer

Det finnes flere kategorier av likestrømsmotorer med permanente magneter. Typisk kan konstruksjonen være slik at feltviklingene i stator som ellers er strømførende, erstattes av permanente magneter. En alternativ utforming er at de er utformet som en synkronmaskin der viklingene for det roterende feltet erstattes med magneter. Bildet til høyre viser tre små likestrømsmotorer som typisk brukes i elektrisk leketøy eller i andre batteridrevne apparater. Statoren til den minste motoren er stilt på høykant slik at en kan se magnetene som er festet på hver sin side i statorhuset. Dette er eksempler på den første kategorien motor.

Fordelen med denne typen motorer er at en ikke trenger noe magnetiseringssystem, samt at tapene assosiert med magnetiseringen ikke er tilstede. Andre fordel er at motorene kan gjøres enkle, mindre og billige. På den andre siden kan det være noen ulemper, først og fremst faren for avmagnetisering, spesielt ved stor varmeutvikling. Disse problemene har blitt mindre med utvikling av materialer som *samarium-kobolt- (SmCo-)magneter* og *neodymium-jern-boron-magneter*.

Når det gjelder vekselstrømsmotorer med permanente magneter dreier det seg om små synkronmaskiner med feltviklinger erstattet med magneter. De kan være både for enfase og trefase tilknytning. Konstruksjonsmessig er disse dermed veldig lik en konvensjonell synkronmaskin, men med den store fordelen at viklinger, sleperinger og børser ikke er nødvendig. På mang måter kan slike motorer være lik skrittmotoren, de brukes derfor i sammenhenger der kontroll av rotorposisjon er nødvendig.

En annen spesialmotor som går under flere navn er den permanentmagnetiserte vekselstrømsmotoren som kanskje er best kjent under navnet børsteløs likestrømsmotor. Bakgrunnen for å kalle den for likestrømsmotor er dens karakteristikker som ligner på en likestrømsmotor, men også at dens konstruksjon ligner på «vrengt likestrømsmotor» med feltviklingene (her altså med permanentmagneter) i rotoren og ankeret som gis strøm styrt elektronisk. Styringen av ankeret skjer ved hjelp av transistorer eller tyristorer, samt ved hjelp av sensorer som holder rede på akslingens posisjon. Strømmen som mates inn til motoren er en slags vekselstrøm, eller strømpulser. Bildet til høyre viser en slik motor for å rotere en diskettstasjon til en datamaskin. Slike motorer brukes også i navet på elektriske sykler.

### Lineærmotorer

I prinsippet kan alle elektriske motorer som er beskrevet over også konstrueres som lineærmotorer. Best kjent er kanskje bruken av lineærmotorer for transportformål, nærmere bestemt såkalte magnetsvevebaner. Enkelt sagt er en lineærmotor en vanlig motor som er «brettet ut». Her er det lineære asynkronmotorer som brukes, ved at en typisk har plassert statoren i kjøretøyet og rotoren i skinnene. Ikke bare er konstruksjonen laget for å gi en elektromagnetisk kraft i kjøreretning, men den induserte strømmen i skinnene gir et oppløft. Derav navnet *magnetsvevebane*. Fordelen med dette er å unngå friksjon mellom skinne og hjul.

Lineærmotorer har også funnet et stort anvendelsesområde i verktøymaskiner og for roboter. Dette på grunn av at lineære, snarere enn rotasjonsbevegelser er ønsket for slike applikasjoner. Et annet bruksområde er linærermotorer med mulighet for hurtige frem og tilbake bevegelser i stempelmaskiner, typisk kompressorer.

;Et utvalg små motorer

Fil:Carbon brushes.jpg|Børster til en liten likestrømsmaskin som enkelt kan byttes.
Fil:Electric motor brushes vacuum.jpg|Utskifting av børster til en universalmotor for støvsuger.
Fil:Broken AC motor rotor.jpg|En ødelagt kommutator i et håndverktøy
Fil:Universalmotor 3.JPG|Motor til en støvsuger
Fil:EaEinlegenSpule.jpg|Montering av stator- viklinger i en liten motor.
Fil:Einphasen Repulsionsmotor 250W.jpg|Repulsjonsmotor med ytelse 250&nbsp;W for 240&nbsp;V.
Fil:Schrittmotorfoto.jpg|Skritmotor med permanent magneter
Fil:Stepper motor rotor.jpg|Rotor til skritmotor
Fil:TeknoJevnstromsmotor1.JPG|Leketøysmotor fra 1940-årene. Spenning: 4,5-8&nbsp;V og strøm 0,2-0,4&nbsp;A.
Fil:Wheel hub motor of an electric kick scooter, sidepanel removed (2022).jpg|Børsteløs likestrøm nav-motor fra en elsparkesykkel.


## Vern og beskyttelse for elektriske motorer

Elektriske maskiner og hele systemer blir beskyttet av egne releer som kan koble ut enheten om en skadelig tilstand blir detektert. Det dreier seg ofte om måling av strøm, spenning, effekt, temperatur, turtall etcetera. Om disse parameterne kommer utenfor normale verdier kan svært hurtig utkobling inntreffe. Dette kan skje så hurtig at en kortslutning bare er under utvikling. På grunn av den store energiutviklingen som skjer ved kortslutning er det også helt nødvendig med rask respons om ikke de elektriske komponenter skal bli fullstendig ødelagt.

En automatisk utkobling av et slikt relevern kan som nevnt skyldes kortslutning, men også andre feil som jordslutning, høy temperatur eller andre skadelige tilstander som kan avdekkes. Det finnes mange typer vern for å ta seg av dette. Om en motor kobles ut på grunn av høy temperatur, kan det skyldes svekket kjøling eller for stort effektbehov fra arbeidsmaskinen. I slike tilfeller kan ny oppstart ofte kunne foretas etter at motoren er kjølt ned. Etter en kortslutning derimot er det mer alvorlige skader som er skjedd, og reparasjon er gjerne helt nødvendig.

Små motorer til for eksempel bruk i husholdninger har ofte ikke annet vern enn sikringene som er tilknyttet stikkontakten. Sikringene virker da som kortslutningsvern. I tillegg kan det være en innebygget termisk sikring, som brukeren selv kan nullstille ved å trykke på en knapp, eller som går tilbake av seg selv etter en stund.

Hvor omfattende relevern og beskyttelsestiltak som anvendes for en motor vil ofte være bestemt av dens viktighet, dette er igjen ofte sterkt avhengig av dens størrelse. Det finnes et stort spekter av vern for motorer avhengig av størrelse, type og anvendelse. Typiske feil og skader som kan oppstå for asynkronmotorer er:

:* Kortslutning eller jordslutning
:* Termisk skade på grunn av:
::* Overbelastning
::* Fastlåst rotor
:* Unormale forhold utenfor motoren selv:
::* Usymetrisk spenning (ved trefase)
::* Under- og overspenning
::* Ombyttet faserekkefølge (motoren går motsatt vei enn tiltenkt)
::* Gjeninnkobling etter kortvarig spenningsbortfall i kraftsystemet
::* Uvanlige omgivelseforhold (kulde, varme, damp)
::* Startsekvens som ikke fullføres riktig

For synkronmotorer kan i tillegg disse skadene oppstå:

:* Utfall av magnetiseringsstrøm
:* Utfall av synkronisme
:* Feil innkobling eller start

Det er utviklet en mengde avanserte vern for å avdekke disse tilstandene. Typiske vanlige vern for en motor er: Underspenningsvern, faserekkefølge- og symmetrivern, temperaturvern, hurtig kortslutningsvern og tidsoverstrømsvern. For store motorer vil en i tillegg ha enda flere typer vern.

Relevernene var tidligere elektromekaniske, senere ble elektroniske releer utviklet, og i dag er mikroprosessorstyrte (digitale) vern vanlig.

## Merkeverdier
Det finnes normer og standerer for hva som skal stå på merkeskiltet til en elektrisk motor. Disse verdiene blir betegnet som merkeverdier, eller også nominelle verdier. Typiske verdier er: Merkespenning, merkeeffekt, merkestrøm, merkeomdreiningstall, merkeeffektfaktor, merkedriftsmåte, merkeverdier for magnetiseringen (strøm og spenning), spenningstype (veksel- eller likespenning), antall faser, dreieretning, kapslingsgrad, type kjøling, isolasjonsklasse og flere andre ting.

Når det gjelder merkeeffekt er det avgitt mekanisk effekt som er av interesse, derfor oppgis denne for avgitt effekt på akslingen og med enheter som W, kW eller MW. Dreieretningen oppgis fra *driftsiden*, altså der arbeidsmaskinen tilkobles. Normal dreieretning er mot høyre. Om noen annet gjelder må dette oppgis.

Kapslingsgrad, eller også kalt IP-grad, har å gjøre med maskinens beskyttelse mot inntrenging av faste gjenstander eller partikler, samt inntrenging av vann. Dette er også forbundet med personbeskyttelse.

## Tap og virkningsgrad
Elektriske motorer har i regelen meget høye virkningsgrader, det vil si at en stor del av den tilførte energien omformes til nyttig arbeid. Den delen av tilført energi som ikke blir til nyttiggjort kalles tap. Tapene blir i stor grad omsatt til varme i motoren. Disse tapene må ikke bli for store fordi det kan bety skadelig høye temperaturer, spesielt for viklingenes isolasjon og lagrene for akslingen. Varmen må derfor ledes bort, noe som blir tillagt mye oppmerksomhet ved konstruksjon av maskinen. Det må være store nok vameavgivende flater, noe som kan få betydning for motorens fysiske utforming og volum. Forsert kjøling i form av kjølevifte er derfor vanlig.

Tapene deles vanligvis inn i to hovedkategorier, nemlig tomgangstap og belastningstap. Tomgangstapene er de som opptrer når maskinen er tilknyttet kraftnettet og roterer uten å drive noen arbeidsmaskin. Disse tapene er først og fremst de såkalte *jerntapene* som igjen er sammensatt av hysterese- og virvelstrømstap. *Magnetiseringstap* regnes også inn i tomgangstapene. Hysteresetapene opptrer som atomær energi som frigjøres når de ferromagnetiske materialene, altså blikkplatene i stator og rotor, gjennomløper sin hysteresekurve. Fenomenet hysterese ble forklart lenger opp i avsnittet om hysteresemotoren. Virvelstrømstapene oppstår fordi det blir indusert strømmer som sirkulerer i de samme blikkplatene. Jerntap oppstår der den magnetiske fluksen veksler, dermed har en ikke slike forhold i en likestrømsmotor ved konstant drift. Vekselstrømsmotorer derimot er dette vanlig, unntatt i polhjulet i en synkronmotor der det er en konstant magnetisk fluks i stasjonær drift.

En annen type tomgangstap er friksjonstapene som igjen deles inn i luft-, lager- og børstetap. En maskin i drift vil forårsake friksjon med luften; utspringende deler lager luftvirvler, og ikke minst viften forbruker effekt når den roterer med. Viftens effektforbruk er tilnærmet proporsjonal med tredjepotensen av rotasjonshastigheten. Tapene i lagrene er derimot små i forhold til lufttapene. Børstetap oppstår bare i maskiner med kommutator eller sleperinger. En regner disse for å være lineært økende med rotasjonshastigheten.

Magnetiseringstapene består av alle strømvarmetap for å fremskaffe magnetisk felt, disse er bestemt av joules lov, det vil si at de er bestemt av resistansen og kvadratet av strømmen.

Når det gjelder de belastningsavhengige tapene, kommer disse i tillegg til tomgangstapene. De består av belastnings-, *overgangs-* og *tilleggstap*. Belastningstapene, eller *strømvarmetapene*, består av *kobbertap*, som igjen deles opp i *rotorkobbertap* og *statorkobbertap*. Disse tapene er  bestemt av jules lov og opptrer i alle viklinger som fører laststrøm. En synkronmotor har derfor ikke rotorkobbertap som er lastavhengige, bare statorkobbertapene som er lastavhengige.

Overgangstapene skriver seg fra strømovergangen mellom kommutator og børster, eller mellom sleperinger og børster. Tilleggstapene forekommer fordi den magnetiske fluksen kan komme til å endres når maskinen belastes. For eksempel kan det oppstå større flukstetthet i tennene, altså delene av blikket mellom to spor, de såkalte *tannmettingstapene*. Jerntapene som ble nevnt som en type tomgangtap kan også være lastavhengige. Årsaken er at lastavhengige spenningsfall kan redusere jerntapene, økte strømmer kan på sin side øke flukstettheten og gi større tap.

For mange av motortypene over er typiske virkningsgrad nevnt over. For store motorer kan selv meget god virkningsgrad bety at flere hundre kW omformes til varme. Kjøling av motoren blir derfor viktig.

## Levetid

En elektrisk motor kan vare i flere tiår om den vedlikeholdes riktig. Driftsforholdene er også av betydning. Motorfabrikanter estimerer forskjellige tider for levetid, typisk i intervallet 30 – 40&nbsp;000&nbsp;driftstimer. Spesielt er det viklingenes isolasjon som eldes på grunn av høye temperaturer, og som dermed avgjør maskinens livslengde. En tommelfingerregle sier at 10&nbsp;°C temperaturøkning reduserer isolasjonens livslengde med halvparten. Det er derfor utviklet forskjellige temperaturklasser for viklinger i elektriske maskiner. Temperaturklassene sier hvor høy temperatur som tåles. Imidlertid er det ikke nødvendigvis slik at en motor som bestilles med ekstra høy temperaturklasse vil vare lengre, det kan nemlig hende at konstruktører han laget motoren slik at temperaturen blir høyere i normal drift, dette for å «utnyttet» viklingens temperaturklasse.

For å unngå overoppheting av motoren er det en del forhold som kan unngås, dette er: Skitt og støv, over- og underspenning, usymmetrisk spenning, overharmoniske (høyere frekvenser enn 50&nbsp;Hz i spenningen ), høye omgivelsestemperaturer, dårlig ventilasjon, samt for stor last. For øvrig er unødvendig stor slitasjene av kulelagrene i motoren også en kilde til feil, selv om disse kan skiftes.

Det som rent faktisk skjer når isolasjonen i viklingene brytes ned er at den blir sprø, samt at dens elektriske holdfasthet blir så svekket at det til slutt oppstår gjennomslag. Det siste vil si at det oppstår kortslutning eller jordslutning. Kortslutning er det mest kritiske på grunn svært stor temperaturøkning, selv om varigheten er kort. For større maskiner vil det alltid være aktuelt med overhaling av viklingene før alvorlige hendelser inntreffer, dette inkluder omvikling med helt ny isolasjon. Etter en slik overhaling forlenges levetiden betraktelig. Mindre maskiner blir derimot oftest kassert. Det finnes målemetoder for å verifisere viklingens tilstand.

## Driftstyper
I avsnittene over om virkningsgrad og livslengde har det blitt nevnt at overskridelse av høyeste temperaturklasse er kritisk for livslengden, samtidig er det ønskelig med så høy utnyttelse av motoren som mulig for å redusere tapene. Dermed blir en tvunget til å drive motorer slik at de utnyttes så mye som mulig, temperaturen må dermed tillates å komme nært opp mot høyeste tillatte. Elektriske motorer skal ofte drive arbeidsmaskiner med vekslende ytelsesbehov, det er derfor utviklet forskjellige driftsklasser for elektriske motorer basert på noen kategorier for typiske belastninger. Motorer kan basert på dette tilpasses forskjellige driftsformer, der periode for oppvarming og nedkjøling er avgjørende. De vanligste klassene i henhold til VDE&nbsp;0530 er:

:* Kontinuerlig drift – S1. For slike motordrifter kjøres motoren så lenge med merkeeffekt at den når *likevektstemperatur*. Likevekstemperatur vil si at høyeste temperatur for alle deler av motoren er oppnådd.
:* Korttidsdrift – S2. Motoren kjøres i en viss tid med merkeeffekt, etter dette er det en spenningsløs pause. Driftstider er 10, 30, 60 og 90&nbsp;minutter. Likevekstemperatur oppnås ikke, og i den spenningsløse pausen oppnår motoren omgivelsestemperatur.
:* Kontinuerlig drift med periodisk belastning der det ikke tas hensyn til virkning av igangkjøring – S3. Start og stopp med kortere spenningsløse pauser enn for S2. 
:* Kontinuerlig drift med periodisk belastning der det tas hensyn til virkning av igangkjøring – S4. Ellers som S3.
:* Kontinuerlig drift med periodisk belastning der det tas hensyn til virkning av igangkjøring og bremsing – S5. Ellers som S3.
:* Kontinuerlig drift med periodisk belastning der motoren går i tomgang i pausene – S6. Pauser og belastningsperioder er igjen så korte at likevektstemperatur ikke oppnås.
:* Uavbrutt drift med igangkjøring og bremsing – S7. Motoren blir belastet en viss periode som består av igangkjøringstid, driftstid med konstant merkelast og bremsetid med elektrisk bremsing. Likevektstemperatur blir ikke oppnådd.
:* Uavbrutt drift med vekslende omdreiningstall og effekt – S8. Driften beskrives av en normert periodisk drift med like perioder.

Disse klassene er beskrevet med ytterligere detaljer enn det som er tatt med her.

## Elektriske motorer i et ressursperspektiv

Tapene i elektriske motorer har fått stadig større fokus i forbindelse med energiøkonomisering og klimaendringer. Det internasjonale energibyrået (IEA) utga en studie på dette i 2011 der det opplyses om at elektriske motordrifter er den klart største sluttbrukeren av elektrisk energi, med 43-46 % av totalen. For å holde alle disse motorene i drift forbrukes det fossile energikilder som bidrar med CO2-emisjoner på rundt 6&nbsp;040&nbsp;Mt. Størstedelen av motorer i bruk er på under 0,75&nbsp;kW, men forbruker bare 9 % av all energi som brukes for motordrifter. Størsteparten av energien til motordrifter går til mellomstore motorer med ytelse fra 0,75 til 375&nbsp;kW. De største motorene over 375&nbsp;kW utgjør i antall bare 0,03 % av alle motorer, men forbruker 23 % av energien til motordrifter totalt.

De største motordriftene er spesialkonstruert til formålet og har i regelen meget god virkningsgrad, sammenlignet med de mindre motorene. IEA skriver i sin rapport at mye av tapene skjer på grunn av tap i arbeidsmaskinen og resten av det mekaniske systemet. En annen ting er at motoren er større enn det som egentlig er nødvendig for behovet. Spesielt er det tilfelle der arbeidsmaskinen er en pumpe, vifte eller kompressor med høyst varierende effektbehov. Kraftelektroniske motordrifter som bedre kan tilpasse motorens moment og turtall til behovet vil spare mye energi på verdensbasis. Totalt sett er det estimert at det totale energibehovet for motordrifter kan reduseres med 4 – 5 % bare ved å velge den mest optimale motoren. Om det i tillegg gjøres forbedringer av hele det mekaniske systemet kan ytterligere 15–25 % spares. Det totale potensialet for kostnadseffektiv energibesparelse er rundt 20 – 30 %, noe som betyr en energibesparelse på 10 % av total elektrisk produksjon.

Tabellen nedenfor viser International Electrotechnical Commission (IEC) sine fire energiklasser for elektriske motorer. Som en ser er det betydelige forskjeller for virkningsgraden, spesielt har de mindre og mellomstore motorene lav virkningsgrad. Dette er årsaken til at disse mellomstore motorene står for en stor del av energitapene i forhold til det totale energiforbruket for motordrifter.

 

Den europeiske union har satt IE3 som en minimumsstandard for ytelse for små motorer, eller IE2 i kombinasjon med frekvensomformer, fra 2015. Fra 2017 gjelder det også krav for større motorer. USA satte allerede i 1997 krav til minimums virkningsgrad ekvivalent med IE2, og fra 2007 ekvivalent med IE3. Flere andre nasjoner har krav til virkningsgrad for motorer i enten klasse IE2 eller IE3.

Elektriske biler har også potensial for å redusere energibruk i verden, delvis på grunn av den betydelige forskjellen i virkningsgrad for elektriske motorer og forbrenningsmotorer. Her vil det imidlertid også være av stor betydning om den elektriske energien kommer fra konvensjonelle eller fornybare energikilder.

Når det gjelder tilpasning av motorer til belastningen er det som nevnt veldig vanlig at det velges en større motor enn det som er nødvendig for belastningen. Årsaker kan være at det er vanskelig å karakterisere en belastning som varierer mye. En annen grunn er en tendens til å være konservativ i valget, slik at en er garantert at motoren ikke skal bli for liten. Velges det en motor som er dobbelt så stor som behovet krever, betyr dette unødvendige store tap. Selv for en motor med høy virkningsgrad blir tapene store om den aldri kommer til å belastes mer enn halvparten av sin ytelse. Det kan også nevnes at en asynkronmotorer trekker nokså stor reaktiv effekt, denne er nesten helt uavhengig av belastningen. Konsekvensen av å velge for stor motor blir at det går unødvendig mye strøm i kraftsystemet som ikke utfører noe nyttbart arbeid, men som gir energitap.

## Ytelse og typiske parametre for generatorer
Som nevnt over er størstedelen av motorer i bruk på under 0,75&nbsp;kW. Motorer over 375&nbsp;kW utgjør i antall bare 0,03 % av alle motorer. De små motorene er ofte innebygget del av apparater og systemer for husholdning, kontor og industri. For motorer over 0,75&nbsp;kW er det først og fremst snakk om asynkronmotorer som fabrikkeres og omsettes uavhengig av applikasjonen.

De store elektrotekniske firmaene som Siemens, ABB, General Electric og Westinghouse produserer motorer for høye ytelser. Det leveres standard maskiner med ytelser på opptil rundt 100&nbsp;MW for synkronmotorer. Likestrøms- og asynkronmotorer leveres for lavere ytelse, typisk opp til 40 MW. Produktspektrene er store og det produseres motorer for de forskjelligste formål. Hva som er verdens største motor innenfor de forskjellige kategorier finnes det mange og motstridene opplysninger om.

Den minste motoren til nå (2011) hevdes å være et roterende molekyl med lengde 1&nbsp;nm. Molekylet har kjemisk betegnelse butylmetyl sulfid, og er en type organisk forbindelse. Det er i stand til å rotere med en hastighet av 50&nbsp;r/min når en elektrisk strøm ledes gjennom det. Molekylet roterer om svovelatomet når dette plasseres over en overflate av kobber. Denne svært lille motoren mener en å kunne brukes til å transportere væsker gjennom tynne rør.

## Se også
* Elektrisitet
* Startmotor
* Aktuator

## Noter



## Referanser


## Litteratur
* 

* 

* 

* 

* 

* 

* 

## Eksterne lenker
* 
* Presentasjon av en mengde tidlige roterende elektriske innretninger
* Populærvitenskapelig presentasjon av elektriske motorer
* Nettside for beregning av virkningsgrad for elektriske motorer
* Oversikt over forskjellige klassifiseringer for elektriske motorer