Ajomoottori

Ajomoottori on sähkömoottori, jota käytetään kulkuneuvojen voimanlähteenä esimerkiksi vetureissa ja sähköajoneuvoissa. 
Ajomoottoreita käytetään sähkörautatiekalustossa kuten sähkömoottorijunissa ja sähkövetureissa sekä muissa sähkökulkuneuvoissa kuten sähkömaitoautoissa, hisseissä, vuoristoradoissa, kuljettimissa ja johdinautoissa. Niitä käytetään myös kulkuneuvoissa, joissa on sähköinen voimansiirto (dieselsähköisissä vetureissa ja hybridiajoneuvoissa) sekä akkusähkökulkuneuvoissa. 
Moottoreiden tyypit ja tehonsäätö.
Kenttäkäämitetyt tasavirtasarjamoottorit ovat ajomoottoreiden vanhin tyyppi. Niiden nopeuden ja vääntömomentin suhde on käytännöllinen ajokäytössä: vääntömomentti on suuri hitaalla nopeudella, mikä parantaa kiihtyvyyttä, ja momentti pienenee nopeuden kasvaessa. Kun kenttäkäämitykseen lisätään tapitus, nopeusominaisuuksia voidaan muunnella siten, että kuljettaja pystyy säätämään kiihdytystä suhteellisen pehmeästi. Kahden ajomoottorin käyttö lisää säätömahdollisuuksia: hitaasti ajettaessa ajomoottoreita voidaan käyttää sarjassa, ja nopeuden kasvaessa moottoreita voidaan käyttää rinnan, jolloin molempia voi käyttää suuremmalla jännitteellä. Tällöin huippunopeus kasvaa. Rautateillä voidaan käyttää jopa eri jännitteitä ratajohdon eri osuuksilla. Korkeampaa jännitettä käytetään pitkillä asemien välisillä ajo-osuuksilla ja matalampaa jännitettä asemilla, joilla hitaampi ajonopeus riittää. 
Ajomoottoreita voidaan käyttää tasavirran asemesta myös vaihtovirralla. Moottoreina käytetään samoja yleisvirtakoneita kuin tasavirtakäytössä; erona on ainoastaan vaihtosähkön käyttö. Koska sekä ankkurikäämityksen että kentän virran suunta kääntyy samanaikaisesti, yleisvirtakone toimii samoin kuin tasasähköllä. Käyttöolosuhteiden parantamiseksi vaihtosähkörautateillä käytetään usein sähköä, jonka taajuus on alhaisempi, kuin kuluttajakäytössä. Tähän tarvitaan oma sähköasema tai pyörivä taajuusmuuttaja, joka muuttaa tavallisen kaupallisen vaihtojännitteen 50 tai 60 hertsin taajuudelta ajomoottoreiden 25 tai 16 2⁄3 hertsin taajuudelle. Vaihtovirtajärjestelmällä mahdollistetaan tehokas sähkönsiirto ratajohdossa ja helpottaa junan nopeudensäätöä. 
Vaihtovirralla toimivat oikosulkumoottorit ovat yksinkertaisia ja tarvitsevat vain vähän huoltoa, mutta niiden käyttö ajomoottoreissa on ollut haastavaa, koska niiden nopeusominaisuudet ovat kiinteät. Vaihtovirralla toimiva oikosulkumoottori tuottaa tarpeeksi voimaa vain kapealla nopeusalueella, joka riippuu vaihtovirran taajuudesta. Tehopuolijohteiden käyttö on mahdollistanut vetureiden ja muiden kulkuneuvojen taajuusmuuttajakäytön, jolloin nopeusalue on laaja, voidaan käyttää vaihtosähkönsiirtoa ja vahvoja oikosulkumoottoreita, joissa ei ole kuluvia osia kuten hiiliharjoja ja virrankääntimiä. Maailman ensimmäiset tekniikkaa käyttäneet kulkuneuvot olivat Helsingin metron M100:t, joihin tuli Strömbergin taajuusmuuttajakäyttö. 
Käyttö liikenteessä.
Ajoneuvoissa.
Ajoneuvot (autot, linja-autot ja rekat) ovat kulkeneet perinteisesti dieselillä ja bensiinillä, ja niissä on käytetty joko mekaanista tai hydraulista voimansiirtoa. 1900-luvun lopulla alettiin kehittää sähköistä voimansiirtoa, jonka tehonlähteenä käytettiin polttomoottoreita, akkuja tai polttokennoja. Yhtenä sähkökoneiden käytön hyötynä oli se, että niillä voitiin ottaa energiaa talteen esimerkiksi jarrutusenergian talteenottoa hyödyntävillä jarruilla. Tällöin akkuja voitiin ladata jarruttaessa. 
Rautateillä.
Junien ajomoottorit olivat perinteisesti yleisvirtakoneita, joiden käyttöjännite oli noin 600 V. Tehopuolijohteet (tyristorit ja eristehilatransistorit) mahdollistivat paljon yksinkertaisempien ja luotettavampien oikosulkumoottoreiden (epätahtikoneiden) käytön. Myös vaihtovirtatahtimoottoreita käytetään toisinaan mm. Ranskan TGV:ssä. 
Ajomoottoreiden asennus.
Ennen 1900-luvun puoltaväliä käytettiin yhtä suurta sähkömoottoria pyörittämään useita akseleita kiertokankien välityksellä hyvin samankaltaisesti kuin höyryvetureissa oli tehty. Tällaisia vetureita olivat muun muassa Pennsylvanian rautateiden DD1, FF1 ja L5 sekä Sveitsin Krokodil-veturit. Nykyisin käytetään yleensä yhtä ajomoottoria akselia kohden. 
Ajomoottori on ripustettu yleensä telin rungon ja vetoakselin väliin kolmipistekiinnityksellä. Tämän ongelmana on, että osa ajomoottoreiden painosta ei ole jousten varassa, mikä lisää ei-toivottuja voimia ajon aikana. Pennsylvanian rautatien GG1-veturin tapauksessa jokaista vetoakselia pyörittämässä oli kaksi teliin asennettua moottoria. Milwaukee Road -rautatien General Electricin valmistamissa Bi-Polar-sähkövetureissa oli suoravetomoottorit. Moottorin pyörivä runko toimi myös pyörien akselina. Ranskalaisen TGV:n moottorivaunuissa ajomoottori on asennettu moottorivaunun runkoon ja se pyörittää kaikkia akseleita. Tällöin telien kääntymisessä on vain vähän joustavuutta, mutta kun suhteellisen raskas ajomoottori on asennettu runkoon telin sijaan, dynamiikka paranee, mikä parantaa suurnopeusominaisuuksia. 
Käämitykset.
Tasavirtamoottorit olivat sähkövetureiden, dieselsähköisten vetureiden ja raitiovaunujen yleisimpiä ajomoottoreita monien vuosien ajan. Näissä moottoreissa on pyörivä ankkurikäämitys ja kiinteä kenttäkäämitys, joka ympäröi ankkurikäämitystä. Kenttäkäämitys koostuu tiiviisti käämityistä keloista, jotka ovat ajomoottorin sisällä. Ankkurikäämityksessä on niin ikään keloja, jotka ovat keskiakselin ympärillä ja kytkettynä kenttäkäämitykseen harjojen välityksellä. Harjat painuvat virrankäännintä vasten jousten avulla. Ankkurikäämit päättyvät virrankääntimeen, joka jakaa ne ympyrän kehälle ja kääntää virran kulkemaan oikeaan suuntaan. Kun ankkuri- ja kenttäkäämitys kytketään sarjaan, ajomoottoria kutsutaan sarjakäämitetyksi. Sarjakäämitettyjen tasavirtamoottoreiden kenttä- ja ankkurikäämityksen sähkövastus on pieni, joten Ohmin lain mukaan jännite saa aikaan suuren virran tällaisessa koneessa. Suuren virran ansiosta moottorin sisällä on vahva magneettikenttä, mikä synnyttää suuren vääntömomentin, joten moottori sopii hyvin junan liikkeellelähtöön. Huonona puolena on, että ajomoottorin virtaa on rajoitettava, sillä muuten virransyöttö voi ylikuormittua tai moottori ja sen johtimet vahingoittua. Vääntömomentti voisi jopa ylittää tartuntavoiman, jolloin pyörät luistaisivat. Virran rajoittamiseen käytettiin perinteisesti vastuksia. 
Tehonsäätö.
Kun tasavirtamoottori alkaa pyöriä, sisäiset magneettikentät saavat aikaan itseinduktion. Tällöin ajomoottoriin syntyy jännite, joka on vastakkaismerkkinen lähdejännitteeseen verrattuna, joten tästä aiheutuva vastasähkömotorinen voima rajoittaa virtaa. Moottorin nopeuden kasvaessa itseinduktiojännite kasvaa, jolloin vastasähkömotorinen voima kasvaa, sähkömotorinen voima heikkenee, virta pienenee ja vääntömomentti romahtaa. Kiihdytys loppuu luonnollisesti silloin, kun junan vastusvoimat ovat yhtä suuria kuin moottoreiden tuottama vääntömomentti. Kiihdytyksen jatkamiseksi sarjaan kytkettyjä vastuksia voidaan kytkeä pois askel askelelta. Jokainen askel suurentaa tehollista jännitettä ja siten virtaa, kunnes moottorin nopeutuminen kumoaa tämän vaikutuksen. Tämän voi kuulla ja tuntea vanhoissa tasavirtajunissa, joissa kuuluu sarja kalahduksia lattian alta ja tuntuu nykäys, kun vääntömomentti kasvaa äkillisesti kasvaneen jännitteen myötä. Kun virtapiirissä ei ole enää jäljellä vastuksia, ajojohtimen jännite syötetään suoraan moottoreille. Junan nopeus pysyy vakiona pisteessä, jossa tehollisen jännitteen määrittämä vääntömomentti on yhtä suuri kuin ilmanvastus ja muut vastusvoimat. Jos juna alkaa kiivetä ylämäkeä, nopeus pienenee, koska vastusvoimat ovat vääntömomenttia suurempia. Tällöin vastasähkömotorinen voima pienenee ja tehollisjännite suurenee, kunnes moottori tuottaa tarpeeksi vääntömomenttia uuteen vastukseen nähden. Sarjaan kytkettyjen vastusten käyttö tuhlasi sähköä, koska energiaa muuttui lämmöksi. Energianhukan vähentämiseksi sähkövetureissa ja sähkömoottorijunissa käytettiin yleensä sarjaan- ja rinnankytkentöjen yhdistelmiä (aluksi kaikki moottorit sarjassa ja lopuksi rinnan), kunnes mekaaninen tehonsäätö korvattiin kehittyneemmällä tehoelektroniikalla. 
Dynaaminen jarrutus.
Jos juna saapuu alamäkeen, sen nopeus kasvaa, koska vastusvoimat ovat vääntömomenttia pienempiä. Nopeuden kasvaessa sisäinen vastasähkömotorisen voiman aikaansaama jännite kasvaa, jolloin vääntömomentti pienenee, kunnes se on taas tasapainossa vastusvoimien kanssa. Koska vastasähkömotorinen voima pienentää virtaa sarjakäämitetyssä moottorissa, ei ole olemassa nopeutta, jolla vastasähkömotorinen voima ylittäisi syöttöjännitteen, joten yksittäisellä tasavirtasarjamoottorilla ei saada aikaan dynaamista jarrutusta eikä jarrutusenergian talteenottoa. 
On kuitenkin olemassa tapoja, joilla ajomoottoreita voi hyödyntää jarrutuksessa. Syntynyt sähköenergia voidaan palauttaa virransyöttöön (jarrutusenergian talteenotto) tai kuluttaa vastuksilla (dynaaminen jarrutus). Juna voidaan jarruttaa tällä tavoin pieneen nopeuteen, jolloin tarvitaan suhteellisen vähän kitkajarrutusta junan pysäyttämiseksi kokonaan. 
Automaattinen kiihdytys.
Alkujaan sähköjunan kuljettajan piti huolehtia resistanssin pienentämisestä käsin, mutta automaattista kiihdytystä on käytetty vuodesta 1914. Moottorin virtapiirissä oli kiihdytysrele, joka valvoi virran pienenemistä ja pienensi resistanssia portaittain. Kuljettajan tuli valita ainoastaan pieni, keskisuuri tai suuri nopeus (moottorit sarjassa, moottorit pareittain sarjassa ja kaikki moottorit rinnan), ja itsetoimiva laitteisto hoiti loput. 
Teho, voima ja nopeus.
Sähkövetureista ilmoitetaan yleensä jatkuva teho ja tuntiteho. Tuntiteho tarkoittaa suurinta mahdollista tehoa, jonka moottorit pystyvät tuottamaan tunnin aikana ylikuumenematta. Kokeen aluksi moottoreiden ja jäähdytyksessä käytettävän ulkoilman lämpötila on yleensä 25 °C. Neuvostoliitossa GOST 2582-72-luokan moottoreissa, joissa oli N-luokan eristeet, sallittiin enintään 160 °C:n lämpötila ankkurissa, 180 °C staattorissa ja 105 °C virroittimessa. Tuntiteho on tavallisesti noin kymmenen prosenttia jatkuvaa tehoa korkeampi, ja sitä rajoittaa koneen lämpötilan nousu. 
Ajomoottoreissa käytetään alennusvaihdetta välitettäessä vääntömomentti moottorista vetoakselille, joten moottorin todellinen kuorma riippuu alennusvaihteesta. Samanlaisten ajomoottoreiden kuormitusarvot voivat olla hyvinkin erilaisia. Ajomoottorissa, joka on säädetty rahdinkuljetukseen sopivaksi, käytetään alennusvaihdetta, jolla voidaan tuottaa suurempi vääntömomentti turvallisesti pidemmän aikaa virran pysyessä samana. Alennusvaihteen avulla moottorista saadaan suurempi mekaaninen hyöty. 
Dieselsähköisissä ja kaasuturbiinisähköisissä vetureissa hyötysuhde on yleensä noin 81%. Sähkögeneraattori muuntaa noin 90% polttomoottorin tuottamasta energiasta sähköksi, ja ajomoottori muuntaa noin 90% tästä sähköstä takaisin mekaaniseksi energiaksi (0,9 × 0,9 = 0,81). 
Tavallisten ajomoottoreiden teho voi olla jopa 1600 kW (2144 hevosvoimaa).
Myös ajonopeus on merkittävä tekijä ajomoottoreiden suunnittelussa. Moottorin ankkurilla on suurin turvallinen nopeus, jolla tai jonka alapuolella käämitykset pysyvät turvallisesti paikoillaan. 
Tämän huippunopeuden yläpuolella ankkurin pyörimisen aiheuttama voima saa ankkurikäämitykset venymään ulospäin. Pahimmillaan käämitykset voivat joutua kosketuksiin moottorin kotelon kanssa, irrota kokonaan ankkurista ja katketa. 
Ylinopeuden aiheuttama ankkurikäämitysten vaurioituminen voi johtua joko ajomoottoreiden käyttämisestä liian suurella nopeudella tai siitä, että hinauksessa olevaa veturia liikutetaan liian nopeasti. Syynä voi alla sekin, että kuluneen tai vaurioituneen moottorin vaihdossa ei huomioida uuden moottorin soveltumista käyttökohteeseensa. 
Ylikuormitus tai ylikuumeneminen voi aiheuttaa samaa ilmiötä myös hitaammissa nopeuksissa, jos ankkuri tai käämitysten tukirakenteet ja kiinnikkeet ovat varioituneet aiemmin mainituista syistä. 
Jäähdytys.
Koska ajomoottorit ovat suuritehoisia, niitä jäähdytetään lähes aina tuulettimilla eli ilmanpuhaltimilla. 
Yhdysvaltain sähkövetureissa käytettävät jäähdytysjärjestelmät koostuvat sähkökäyttöisestä ilmaa puhaltavasta tuulettimisesta, joka on yhdennetty veturin runkoon. Jäähdytysilma kulkee kumisissa jäähdytysputkissa ajomoottoreille ja ankkureiden läpi ja sen jälkeen takaisin ympäristöön.