Elektrimasin

Elektrimasin on energiamuundur, millega muundatakse mehaanilist energiat elektrienergiaks (elektrigeneraator), elektrienergiat mehaaniliseks energiaks (elektrimootor) või elektrienergiat mehaanilise energia kaudu tagasi teistsuguste parameetritega elektrienergiaks (elektrimasinmuundur). Elektrimasinad töötavad elektromagnetilise induktsiooni nähtuse ja Lorentzi jõu põhimõttel. 
Ajalugu.
Elektrimasinate ajalugu algas 1831. aastal, kui kirjeldas elektromagnetiline induktsiooni seadusi, mis võimaldasid elektrigeneraatori ja elektrimootori loomist. Esimese elektrigeneraatori valmistas 1932. a Pariisi peenmehaanik ; see oli pöörleva püsimagnetiga käsitsi ringiaetav elektrimasin. Esimese elektrimootori valmistas 1984. a Moritz Hermann von Jacobi. 1838. aastal osutas Heinrich Lenz elektrimasinate pööratavuse põhimõttele (Lenzi printsiip): kõik elektrimasinad, sõltumata konstruktsioonist ja tööpõhimõttest, võivad töötada nii generaatorite kui ka mootoritena).
Üldine ehitus.
Iga elektrimasina olulisimad osad on mähised, mille terassüdamik on magnetahela osa. Mähis koos südamikuga moodustavad elektromagneti. Masina pöörlevate mähistega osa nimetatakse rootoriks ja paigallseisvate mähistega osa staatoriks.
Elektrimasina tööpõhimõttest olenevalt võivad nii staator kui ka rootor olla kas induktoriks (magnetvälja tekitaja) või ankruks (ankrus indutseeritakse elektromotoorjõud).
Liigitus.
Kui käsitada elektrimasinat kui masinat, s.o mehaanilist liikumist rakendavat seadet, siis on elektrimasinateks ainult elektrigeneraatorid ja elektrimootorid. Mõnes liigituses võetakse aluseks elektromagnetiline induktsioon, sel juhul loetakse elektrimasinate hulka ka jõutrafod.
Mehaanilise energia muundamise suuna järgi jagunevad elektrimasinad elektrigeneraatoriteks ja elektrimootoriteks:
Voolu liigi järgi on elektrimasinad alalisvoolumasinad ja vahelduvvoolumasinad. Ülekaalukalt levinumad on vahelduvvoolumasinad, eriti kolmefaasilised generaatorid ja mootorid. Need jagunevad omakorda sünkroonmasinateks ja asünkroonmasinateks. 
Peamiselt kodumasinates ja väikestes elektritööriistades on kasutusel kommutaatoriga elektrimasinad ‒ ühefaasilised jadaergutusmootorid.
Vahelduv- ja alalisvoolugeneraatori lihtsustatud ehitus.
Vahelduvvoolugeneraatori ehitust saab lihtsustatult kirjeldada järgmiselt. Magnetahela pooluste N ja S vahele on paigaldatud pöörlev traadist raam, mis kujutab endast generaatori rootori mähist. Kui raam (mähis) pöörlema panna, indutseeritakse selles elektripinge. Selle juhtimiseks generaatori väljundklemmidele kasutatakse kollektorit, milleks on metallrõngad koos nende vastu surutud harjadega. 
Alalisvoolugeneraatori ehitus erineb vahelduvvoolugeneraatori omast selle poolest, et kollektori rõngaste asemel kasutatakse poolrõngakujulisi kollektori lamelle. Need lamellid ehk lestad koos harjadega moodustavad kommutaatori. Harjad on paigutatud nii, et üleminek ühelt lamellilt teisele toimub siis, kui generaatori klemmidel on nullpinge. See tagab minimaalse sädelemise harjade ja kollektori vahel.
Reaalses masinas on ühest raamist koosneva mähise asemel mitu pooli ja vastavalt ka kaks korda rohkem nende poolide otstega ühendatud lestasid. Kommutaatori lestad ühendatakse läbi kahe diagonaalselt asetseva harja kas tarvitiga (generaatori korral) või ankrumähise toiteallikaga (mootori korral). Harjad valmistatakse söest, grafiidist või vasest ja nad asuvad harjahoidjates, kus nad vedrudega surutakse vastu kommutaatorilesti. Harjahoidjad on kinnitatud kere või ikke külge.
Sünkroongeneraatorid.
Sünkroongeneraatorid on kas pöörleva või liikumatu ankruga.
Elektrijaamades toodavad elektrienergiat liikumatu ankruga kolmefaasilised sünkroongeneraatorid. Need generaatorid tekitavad kindla sagedusega (50 või 60 Hz) ja kõrge pingega (reeglina 6,0; 10,0 ja 15,7 kV) kolmefaasilist vahelduvvoolu.
Asünkroonmootorid.
Asünkroonmasinaid kasutatakse peamiselt mootoritena. Asünkroonmootor on nüüdisaegsete elektrimootorite levinuim liik. Heade tehniliste ja majanduslike näitajate tõttu kasutatakse asünkroonmootoreid tööstuses ja majapidamises laialdaselt.
Kolmefaasilise lühisrootoriga asünkroonmootori staatorimähise südamik koosneb üksteisest isoleeritud elektrotehnilise terase lehtedest, mis on pressitud malmkeresse. Staatori silindrilisel sisepinnal olevatesse uuretesse on asetatud staatorimähis. Rootori teraslehtedest südamiku uuretesse on paigutatud alumiinium- või vaskvardad, mis mõlemast otsast on kokku ühendatud alumiinium- või vaskrõngaste abil. Vardad koos lühisrõngastega moodustavadki rootorimähise.
Tööpõhimõte on järgmine. Staatori pöörlev magnetväli indutseerib rootorimähises voolu, mis koostoimel staatori magnetväljaga paneb rootori pöörlema. Rootori pöörlemissagedus "n"2 on alati väiksem staatori magnetvälja pöörlemissagedusest "n"1:
formula_1
Rootori pöörlemissageduse mahajäämist staatori magnetvälja pöörlemissagedusest nimetatakse libistuseks ja väljendatakse kiiruste suhtena: 
formula_2 × 100%
Kui rootor seisab, siis 
formula_3 = 0 ja formula_4 (100%).
Kui rootori pöörlemissagedus läheneb staatori pöördvälja sagedusele, siis formula_5 läheneb nullile (formula_6 korral pöörleb rootor sünkroonselt; see režiim on võimalik ainult sünkroonmasinas).
Rootori pöörlemissagedus
formula_7, 
kus 
formula_8 on rootori pöörlemissagedus (p/min);
formula_9 on vahelduvvoolu sagedus (Hz);
formula_10 on pooluspaaride arv;
formula_5 on libistus.
Rootori pöörlemissageduse reguleerimiseks on mitmeid võimalusi:
Asünkroonmootori pöördmagnetvälja ja järelikult ka rootori pöörlemissuund sõltub faaside järjestusest. Seega mootori reverseerimiseks (mootori pöörlemissuuna muutmine) tuleb omavahel vahetada kaks toitejuhet.