From Wikipedia, the free encyclopedia
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.
.jpg)
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 W) til rundt 100 MW (100 000 000 W). For motorer med stor ytelse er det alltid snakk om forsyning med høyspenning, altså spenning over 1000 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 kW for, mens motorer over 375 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.
En elektrisk motor er en maskin som omformer elektrisk energi til mekanisk energi,[lower-alpha 1] 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.[1]
Mekanisk består en motor av disse hovedkomponentene:
Elektriske hoveddeler:
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.[4]
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.[5]
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 er proporsjonal med den tidsderiverte av magnetiske flukstetthet:
der
og minustegnet forklares av Lenz' lov:
I den helt tidlige eksperimentelle fasen med elektromagnetisme holdes fenomenene med fysiske krefter mellom magnetfelter og elektriske ledere på den ene siden, og induksjon på den andre siden, strengt adskilte. En snakket om magneto-elektriske maskiner når en omtalte bakgrunnen for virkemåten for generatorer, og elektro-magnetiske maskiner når det var snakk om motorer. Ikke før i 1833 ble det påpekt at det var en sammenheng mellom disse fenomenene, da den tysk-baltiske fysikeren Emil Lenz (1804 – 1865) utga en artikkel med navn «loven om gjensidighet av magneto-elektriske og elektro-magnetiske fenomener». Med dette ble det i praksis fremsatt en påstand om at en elektrisk motor kan fungere som generator, og vice versa. I 1838 kom det flere rapporter om eksperimenter der det ble påvist reversible prosesser.[4]
Den helt grunnlegende sammenhengen for virkemåten til en motor er Ampères kraftlov som sier at kraften er gitt ved uttrykket[7]
der symbolene betyr
Figuren til høyre viser hvordan en leder i et magnetfelt blir påvirket av denne kraften.
Å lage roterende elektriske innretninger var noe en rekke oppfinnere og vitenskapsmenn arbeidet med uavhengig av hverandre, det kan nesten beskrives som en motesak fra første halvdel av 1850-tallet. Det ble gjort forsøk med både roterende maskiner, men også innretninger der en stang ble satt til å beveges frem og tilbake omtrent som stemplet i en dampmaskin. (Noe likt det en i dag kaller for en lineærmotor.)[4]
Som nevnt var Ørsted den første som oppdaget sammenheng mellom elektriske ledere og magnetfelter. Allerede Faraday utfører i 1821 eksperimenterer som demonstrerer rotasjon forårsaket av magnetisme. Dette året viser han at en opphengt elektrisk leder kan rotere i en sirkel rundt en magnet.[4] En annen tidlig oppfinnelsen av betydning var elektromagneten utført av den engelske fysikeren William Sturgeon (1783 – 1850).[8]
Det aller første enkle roterende apparatet basert på elektromagnetisme holdes for å være en innretning bygget av engelskmannen Peter Barlow (1776 – 1862) i 1822, kjent som Barlows hjul. En annen tidlig oppfinnelse av en elektrisk roterende maskin blir utført av den ungarske benediktinerpresten Ányos Jedlik (1800 – 1895) rundt 1827. Innretningen består av elektromagneter og en kommutator. Jedlik publiserer ikke noe skriftlig om sin oppfinnelse før flere tiår senere, tidspunkt for oppfinnelsen er også usikkert. Selv om dette kan ha vært den første elektriske motor, kan det ikke dokumenteres. Den første publiserte beskrivelsen av en roterende elektrisk maskin blir gitt i juli 1832: En viss P.M. skriver et brev til Faraday der en slik oppfinnelse blir beskrevet. Faraday får brevet den 26. juli 1832, og han publiserer inneholdet omgående.[4] I 1829 laget Joseph Henry, en fysikklærer i Albany, en roterende motor, men anså det bare som et leketøy uten praktisk nytte.[9]
I juli 1832 konstruerer den franske instrumentmakeren Hippolyte Pixii (1808 – 1835) det første apparatet som genererte vekselspenning ved hjelp av roterende permanentmagneter. Etter ideer fra Ampère utviklet han samme år en komponent som kan snu strømmens retning for hver halve omdreining rotoren utfører. Dermed leverte apparatet ut likespenning. Komponenten som snudde spenningen er kjent som kommutatoren. Imidlertid er det skotten William Ritchie (1790 – 1837) som er kjent som oppfinneren av kommutatoren i 1832. Ritchie hevdet å ha funnet opp kommutatoren den samme sommeren som Pixii.[4] I 1833 presenterte Joseph Saxton en «magneto-electric» machine for British Association for the Advancement of Science.[9]
Den tyske/russiske ingeniøren og fysikeren Moritz Hermann von Jacobi (1801 – 1874) regnes for å være den første til å lage en praktisk anvendbar elektrisk motor. Han rapporterte til Annalen der Physik i mai 1834 at han hadde konstruert en elektrisk motor som kunne løfte en vekt på 10–12 pund opp med en fart av én fot i sekundet. Dette tilsvarer en effekt på 15 W.[4] I november 1834 sender han en rapport til Det franske vitenskapsakademiet i Paris om sine forsøk. Rapporten til vitenskapsakademiet beskrev Jacobi at han hadde lykkes med å skape rotasjon ved hjelp av elektrisitet i mai 1834. Thomas Davenport skrev i sin memorar at han fikk til det samme i juli 1834. Oppfinnelsene gjort av disse to skjedde helt uavhengig. Jacobis motor besto av to sett med elektromagneter, åtte i hvert sett, det ene settet fastspent og det andre montert på et hjul. Strøm gikk fra batteriet til de roterende magnetene via en kommutator. Jacobis kommutator var bedre utformet enn Davenports og er svært lik den som ble utbredt senere.[9]
Jacobi var tilknyttet universitetet i Königsberg i daværende Preussen. I november 1834 sender han en rapport til det franske vitenskapsakademiet, og på våren 1835 publiserer han en avhandling om sin elektriske motor. Denne avhandlingen fører til at han senere får et æresdoktorat ved universitetet. Han gjør det klart at han alene ikke er oppfinneren av motoren. Inspirasjon har kommet fra de italienske oppfinnerne Giuseppe Domenico Botto og Savatore dal Negro. Botto er en professor i fysikk, som i 1834 publiserer en beskrivelse av en elektrisk innretning som er konstruert lik en metronom. Den har to elektromagneter som får en pendel til å bevege seg. Negro har noe tidligere konstruert en lignende maskin som kan løfte et lodd på 60 gram 5 centimeter i løpet av ett sekund, noe som tilsvarer en ytelse på 30 mW.[4]
I desember 1833 ble den amerikanske smeden Thomas Davenport den første som laget en elektrisk motor i USA. Hans maskin kunne yte 4,5 W, men hverken han eller andre oppfinnere på denne tiden greide å lage en maskin med en ytelse som kunne gjøre dem praktisk anvendbare. Davenport fikk i 1837 det første patentet på en elektrisk motor. Han leverte patentsøknaden 24. januar 1837 og fikk svar 25. februar 1837 med at motoren var tildelt patentnummer 132 i USA.[9]
Det store spranget kom i 1838 da Jacobi lyktes med å lage en motor som utviklet hele 300 W. Rett før dette hadde den russiske tsaren invitert Jacobi til St. Petersburg, hvor han ble medlem av Sankt Petersburg Vitenskapsakademi. Han fikk generøs støtte fra tsaren for å arbeide nettopp med elektriske motorer. For å demonstrere motorens praktiske anvendelse satte han den i en båt som var rundt åtte meter lang og utstyrt med padlehjul. Fartøyet kunne transporterte 14 personer over elven Neva[10] i St. Petersburg. Den første båtturen fant sted den 13. september 1838. Distansen var 7,5 km og fartøyet holdt en fart på 2,5 km/h. I båten var det sink-batterier som til sammen veide 200 kg. Flere aviser fra denne tiden beskriver båtferdene som ble foretatt denne høsten, blant annet blir det rapportert at fartøyet i løpet av to til tre måneders drift har et forbruk av sink på 24 pund,[4] eller rundt 11 kg.
En annen oppfinner som utviklet vellykkede elektriske motorer var amerikaneren Charles Grafton Page (1812 – 1868). Hele sitt liv brukte han på å utvikle motorer, i tillegg til flere andre oppfinnelser som han står bak. Hans første motor så dagens lys i 1838 og var basert på en pendel som settes i bevegelse av elektromagneter. Denne maskinen etterlignet en dampmaskin med en arm fra pendelen som fikk et hjul til å rotere. De etterfølgende 20 årene gikk han etterhvert helt over til roterende innretninger. I 1851 klarer Page å øke effekten fra 8 til 20 hk, det vil si rundt 15 kW. Med to slike motorer bygger han et lokomotiv som med en vekt på 10 tonn greier å oppnå en fart på 30 km/h. Med dette kjører han fra Washington til Bladensburg på 19 minutter.[4]
I årene fra 1837 til 1866 ble det tatt ut hele 100 patenter på elektriske motorer bare i England. I hele verden ble det tatt ut tusenvis av patenter. Det skulle vise seg å ta lang tid før noen greide å overgå Jacobi når det gjaldt ytelsen for en elektrisk maskin.[4]
Det skjedde stadige forbedringer av elektriske motorer, men det var et fundamentalt problem med disse; den høye vekten og kostnadene for batteriene. Dette ble også motivasjonen for å lage en funksjonell generator som kunne forsyne motorer med elektrisitet. I 1850 skrev R. Hunt i British Philosophical Magazine at en elektrisk motor, selv under de beste forhold, er 25 ganger mer kostbar enn en dampmaskin for å gjøre det samme arbeidet.[4]
I 1841 utlovet Det tyske forbund en pris på 100 000 gulden til den som konstruerte en elektrisk motor som kunne utføre et arbeid billigere enn en hest, en dampmaskin eller et menneske. Ingen fikk denne prisen. Det viste seg umulig å få til noe slikt uten at en vellykket generator ble konstruert, noen som skal vise seg å ta enda 25 år å få til.[4]
En ny stor forbedring av konstruksjonen av elektriske motorer kommer med den tyske oppfinneren og industrimannen Werner von Siemens (1816 – 1892), som i 1856 konstruerer en maskin med såkalt dobbel-T ankerviklinger. I denne maskinen er rotorens viklinger plassert i spor langs rotorens omfang. Denne konstruksjonen er så vellykkede at alle andre tidligere løsninger forsvinner helt i løpet de neste årene. Denne løsningen med spor for viklingene brukes fremdels for nesten alle elektriske maskiner. Ti år senere finner Siemens opp en vellykket dynamo (likestrømsgenerator). Med denne oppfinnelsen begynner utviklingen av elektriske maskiner for praktisk anvendelse virkelig å ta fart.[11] Werner von Siemens er for øvrig kjent som grunnleggeren av det tyske industrikonsernet Siemens.
En stor ulempe med dynamoen til Siemens med dobbel-T anker er at den produserer pulserende spenning. Den belgiske oppfinneren og ingeniøren Zénobe Gramme (1826 – 1901) løser dette problemet med den såkalte ankerring, som gir ut en jevn likespenning. Konstruksjonen som han kom med i 1871 hadde viklinger som var sammenkoblet på en slik måte som bildet øverst til høyre viser. Prinsippet er vist i figuren rett nedenfor som viklinger rundt en torus. Fra hver viklingsspole fører det forbindelser til segmenter på kommutatoren. Det blir indusert like stor spenning i den øverste halvdelen av ringen som i den nederste, og som figuren viser blir spenningen hentet ut av børstene ved posisjonene -B og +B.[12] Produksjonen av denne dynamoen er en sterk konkurrent til Simens' dynamo.[11] Årsaken til forbedringen er konseptet som er kjent som distribuerte viklinger, noe som blir omtalt lenger ned i artikkelen.
Enda en videreutvikling av dobbel-T anker-maskinen er oppfinnelsen av ankertrommel-motoren til tyskeren Friedrich von Hefner-Alteneck (1845 – 1904). Denne utviklingen gjøres i årene 1872 – 1875, og består av at viklingene legges i spor aksielt langs en sylindrisk rotor.[11] Dette var en forbedring av Grammes ankerring, fordi denne ikke hadde en stor del av viklingene på innersiden av rotoren der det uansett ikke blir indusert noe spenning.[12] Grammes og von Hefner-Altenecks oppfinnelser er også viktige bidrag til utviklingen av elektriske motorer.
Neste milepæl mot en vellykket elektrisk motor er franskmannen Auguste Pellerins ide med laminert blikk istedenfor massivt jern i motorens stator og rotor. Ideen går ut på at tynne plater av stål med isolasjon i mellom settes sammen til å danne motorens magnetiske krets. Dette kalles for laminert blikk. Hensikten med dette var å unngå virvelstrømmer, som fører til redusert virkningsgrad. Imidlertid blir ikke denne oppfinnelsen satt ut i produksjon av Pellerin selv. Med disse konseptene er alle konstruksjonsdetaljene for en moderne elektromotor på plass. Imidlertid er det oppfinnelsen av vekselstrømsmotorer og -generatorer som fører frem til dagens moderne elektriske kraftsystemer.[11] Problemet med virvelstrømmer blir for øvrig forklart mer inngående lenger ned.
Utdypende artikkel: Strømkrigen
Strømkrigen er betegnelsen på det teknologiske kappløpet mellom likestrømsystemer på den ene siden og vekselstrøm på den annen.[lower-alpha 2] Denne intense konkurransen som gikk for seg i 1880-årene, og endte på begynnelsen av 1890-årene, dreide seg mye om å finne en løsning på problemet med de korte overføringsavstandene som kraftsystemer basert på likestrøm hadde. Med introduksjon av systemer for enfase vekselstrøm var det mulig å øke avstanden mellom kraftstasjonene og forbrukerne betydelig. Imidlertid var det et stort praktisk problem med vekselstrøm; ingen greide å konstruere en praktisk motor for vekselstrøm.[13]
Den serbiske ingeniøren Nikola Tesla (1856 – 1943) får ideen til et vekselstrømssystem allerede mens han er student ved Technische Universität Graz i Østerrike i 1882. Tesla har senere sagt at han under en demonstrasjon av en likestrømsgenerator holdt av en professor ved universitetet i 1877, så den intense gnistringen fra børstene og kommutatoren. Gnistringen var så intens at det var åpenbart at komponentene ville bli ødelagt. Han bestemte seg da for at han ville finne opp en elektrisk maskin uten disse svakhetene. Det er imidlertid uklart om han ville finne opp en motor eller generator uten kommutator, eller begge deler. I de neste årene tenker han intenst på hvordan en maskin uten kommutator skal konstrueres. Tesla går tur sammen med en kamerat når han får ideen, som han beskriver slik «I et øyeblikk så jeg for meg alt, og med en pinne laget jeg diagrammer i sanden som sener ble brukt som illustrasjoner i min patentsøknad i mai 1888». For Tesla er det åpenbart at det han søker ikke bare er motor uten kommutator, men et helt nytt system fordi motoren vil kreve en spesiell generator.[14] De fleste historikere lar Tesla få æren av å være oppfinneren av den første motor for vekselstrøm.[15]
En industriherre som hadde bygget seg et imperium basert på små lokale kraftsystemer for likestrøm var Thomas Alva Edison. På slutten av 1800-tallet ble elektrisitet benyttet først og fremst for belysning for de få bybeboerne som hadde råd til dette. De som produserte og eide slike kraftsystemer kunne ikke overføre elektrisitet over lengre avstander, men industriforetak som ville forsyne den mer spredt bosatte befolkningen så forretningsmuligheter i å utvikle et bedre egnet system.[16]
Tesla beskriver problemet med likestrømssystemer slik i en artikkel fra 1888 til the American Institute of Electrial Engineers: – I et kraftsystem for likestrøm blir det indusert vekselstrøm i generatorens rotor, disse blir likerettet i den problematiske kommutatoren. Likestrømmen blir distribuert via overføringslinjer til motorer, der strømmen igjen blir omformet i kommutatorer på motorene der det også går vekselstrøm i rotoren. For ham var dette ulogisk. Hvorfor ikke bruke vekselstrøm gjennom hele systemet, når kommutatorene skaffer så mange problemer, argumenterte han.[17]
I sine patenter beskriver Tesla et roterende magnetisk felt som blir satt opp av viklingene i en elektrisk maskin som tilknyttes vekselstrømmer med faseforskyvning. Det roterende magnetiske feltet fra viklingene vil ha samme virkning som en roterende magnet: Nemlig at en jern- eller ståltrommel som kommer i nærheten vil rotere. I neste omgang vil det induseres strøm i ståltrommelen, denne vil sette opp et magnetfelt som ved interaksjon med det roterende feltet fra viklingene får trommelen selv til å rotere. Denne maskinen vil få en rotasjonshastighet som er litt lavere enn magnetfeltets rotasjon. Dette er Teslas beskrivelse av en induksjonsmotor (asynkronmotor), og han gir også en beskrivelse av en annen maskin kjent som synkronmotor. Synkronmotoren forklarer han skal ha sleperinger med børster som overfører likestrøm til rotoren som setter opp et magnetisk felt.[18]
I 1884 utvandrer Tesla til USA hvor han etablerer et lite firma og får opprettet et verksted for eksperimenter i New York. Tesla finner opp den såkalte induksjonsmotoren, beskrevet over, i 1885. Det han ikke er klar over er at den italienske fysikeren og ingeniøren Galileo Ferraris (1847 – 1897) har gjort den samme oppfinnelsen kort tid før Tesla. I 1887 tar Tesla ut sin første patent på et kraftsystem for tofaset vekselstrøm. Dette systemet består i hovedsak av en kraftlinje med fire faseledere, en generator og en flerfase motor. Georg Westinghouse blir klar over Teslas lovende kraftsystem og kjøper alle hans patenter for en million USD. I tillegg blir Tesla konsulent for Westingshouses selskap. Tesla arbeider så frem til 1889 med å utvikle to- og enfasede induksjonsmaskiner med forholdsvis høye frekvenser (mellom 125 og 133 Hz). Disse anstrengelsene fører ikke frem til noen vellykket motor, dermed forlater han Westinghouse i 1889. Westinghouse stopper deretter all utvikling av vekselstrømssystemer.[11]
I Italia utvikler som sagt Ferraris sin vekselstrømsmotor for tofase vekselstrøm i 1885. Ferraris publiserer sin oppfinnelse, men tar aldri ut noen patenter.[19] Også Ferraris beskriver roterende magnetiske felter som skapes av vekselsstrømmer som er faseforskjøvet.[20] Helt feilaktig tror han at en slik maskin aldri kan få større virkningsgrad enn 50 %,[21] dermed mister han all interesse for videre utvikling.[11]
Utdypende artikkel: Vekselstrøm
I 1889 konstruerer den russiske ingeniøren Mikhail Dolivo-Dobrovolskij (1862 – 1919) en forbedret induksjonsmotor basert på Tesla og Ferraris ideer. Dolivo-Dobrovolskij er sjefingeniør ved AEG i Berlin, og hans motor er mye lik dagens motorer kjent under navnet asynkronmotor. Senere finner han også opp en asynkronmotor med viklinger tilknyttet sleperinger og eksterne startmotstander.[11]
Dolivo-Dobrovolskij er den første til å forstå at et trefasesystem med generator og motorviklinger koblet i stjerne eller trekant ikke trenger mer enn tre faseledere. Dermed vil systemet være mindre kostbart enn tofasesystemet som andre oppfinnere har utviklet og som krever fire faseledere. I august 1889 får han patent på en trefasetransformator. Med Dolivo-Dobrovolskij som leder starter et samarbeid mellom AEG og Maschinenfabrik Oerlikon der disse i fellesskap konstruerer et komplett trefase kraftsystem med generator, transformatorer, kraftlinje og motorer. En kraftstasjon blir bygget i Laufen ved elven Nektar, denne produserer elektrisitet for en 175 km lang kraftledning til Frankfurt am Main.[11] Anledningen er den internasjonale elektrotekniske utstillingen i 1891 som avholdes i Frankfurt, der dette anlegget skal være hovedattraksjonen. Nøyaktig klokken 12 den 25. august 1891 blir anlegget satt i drift, med blant annet en kunstig foss drevet av en pumpe med trefasemotor. Kraftlinjen har en spenning på 25 kV og en overføringskapasitet på 220 kW. Ved senere forbedringer viser det seg at den har et tap på bare 4 %.[22][23]
Til utstillingen er det kommet en rekke ingeniører og industriherrer fra forskjellige land. Disse skjønner raskt at trefase vekselspenning har store fordeler, spesielt ved at elektrisitet kan overføres over lange avstander. Etter dette startet de store elektrotekniske industriselskapene Siemens, General Electric og Westinghouse et intensivt arbeid for å utvikle generatorer og andre maskiner for vekselstrøm.[23]
En annen amerikaner med interesse for elektriske motorer er Charles Schenk Bradley. Han utfører eksperimenter med flerfasemotorer allerede før Ferraris publiserer sine resultater. I 1887 og 1889 får han patenter på både et tofase- og et trefasesystem. Bradley forsøker allikevel aldri å sette inne oppfinnelser ut i livet. En annen uheldig oppfinner er tyskeren Friedrich August Haselwander som kommer opp med en ide om et trefasesystem i 1887. Haselwander får bygget en trefaset synkronmaskin, men videre forsøk med denne blir stoppet av det tyske postvesenet som frykter forstyrrelser av telegraflinjene. Etterpå mislykkes han også med å få patent på oppfinnelsen.[11]
Helt uavhengig av Dolivo-Dobrovolskijs arbeid med trefasekraftsystem hadde svensken Jonas Wenström (1855 – 1893) funnet opp og konstruert en trefasegenerator i 1890. Videre i 1893 bygges et kraftsystem for vekselstrøm med en 13 km lang kraftlinje i Sverige. Ingeniøren Wenström hadde i sin patentsøknad i april 1889 beskrevet alle komponenter for et trefase vekselstrøms kraftsystem, inkludert en elektrisk motor, men han er altså noen få år for sent ute til å vinne kappløpet.[11] Wenströms oppfinnelser ble imidlertid med på å danne basis for det svenske storkonsernet ASEA, som i dag er del av ABB.
Teknologihistorikeren Thomas Hughes oppsummerer oppfinnelsen av en motor for vekselstrøm slik: – Tesla var den som først får gjennom en suksessfull patentsøknad for konseptet med motorer og generatorer med roterende magnetfelter. Ferraris er den som først som publiserer konseptet i en forelesning. Videre er det Bradley og Haselwander som er de første til å virkelig bygge fullskala generatorer for flerfase vekselstrøm. Imidlertid er det ingen av disse som bygger teknisk-økonomiske optimale generatorer eller motorer for vekselstrøm. Det er det de elektrotekniske selskapene som tar hånd om.[24]
Med introduksjon av elektriske motorer på siste halvdel av 1800-tallet ble det slutt på at industribedrifter hadde omfattende systemer med akslinger og reimdrifter for energioverføring. Isteden kunne alt fra spinnemaskiner og vevstoler til trikker og tog ha sine egne elektriske motorer. Dermed var det heller ikke nødvendig for en fabrikk å ligge ved en elv der vannhjul eller vannturbiner skaffet energi til å drive maskinene.
Elektriske motorer har noen vesentlige fordeler sammenlignet med andre motorer. Forbrenningsmotorer utvikler nesten ikke noe startmoment, altså at moment er veldig lavt ved små hastigheter. Dermed er det ofte nødvendig å ha koblinger eller gir mellom motor og arbeidsmaskin. Turbiner har ofte svært høye omdreiningstall, dampturbiner er del av et større system med blant annet dampkjeler. Vannturbiner er stedlig bundet. Elektriske maskiner har ikke disse ulempene og de kan lett tilpasses arbeidsmaskinen de skal drive. En annen fordel er lave tap ved energiomformingen.[25]
Tabellen nedenfor viser en måte å inndele hovedkategoriene av elektriske motorer på. Det finnes også andre typer motorer innenfor hver av kategoriene i den nederste raden. Med universalmotorer menes maskiner som både kan brukes for veksel- og likestrøm.
| Likestrømsmotorer (DC) | Vekselstrømsmotorer (AC) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Seriemagnetisert | Shuntmagnetisert | Kompound magnetiserte | Permanent magneter | Asynkronmotorer | Synkronmotorer | Universalmotorer | Spesialmotorer |
Motordriften kan deles inn i fire viktige oppgaver eller driftsformer:[25]
Når en snakker om motordriften menes ikke bare selve motoren, men også de styringer og tilknyttede hjelpeutstyr som er tilknyttet. Tradisjonelt kan dette være regulerbare motstander, såkalte reostater eller mer moderne, kraftelektroniske omformere, som for eksempel endrer spenning og frekvens. Det siste er i dag det mest vanlige.
Andre krav til motorer har å gjøre med pris, vekt, volum, vedlikehold og en rekke andre ønsker og krav som formålet setter. Ofte er det også krav til motoren om å kunne brukes i vanskelige omgivelser, som for eksempel fuktige eller eksplosjonsfarlige miljøer. Spesielt virkningsgrad blir tillagt stor vekt for større motorer, mens for de aller minste kan dette være et mindre viktig anliggende.
Likestrømsmotorer får sin elektriske energi fra egne kraftsystemer for likestrøm, fra batterier eller fra omformere. Omformere er enten roterende omformere, der en motor tilknyttet trefase kraftsystem driver en likestrømsgenerator, eller en kraftelektronisk omformer. Selv om det ikke er så vanlig i dag kan det også være snakk om kraftverk med likestrømsgeneratorer (dynamoer). Imidlertid er det ikke uvanlig at sporvogner, T-baner og jernbane har helt egne kraftsystemer for likestrøm, da med egne stasjoner for omforming av elektrisk kraft.
Bildet til høyre viser en meget enkel likestrømsmotor. Rotoren (ankeret) har to poler som magnetiseres av en elektrisk vikling, og en stator som kan bestå av permanente magneter (N og S i figuren). Kommutatoren i sentrum av rotoren fører strømmen til viklingene. Denne består av to halvsirkelformede kobberlameller som tilføres strøm via to børster som står mot hverandre på hver side. Børstene består ofte av fjærbelastede kullstykker for å gi passe kontakttrykk uten å slite kommutatoren for meget. I figuren er rotoren omsluttet av et magnetfelt fra polene, altså magnetisk nordpol og sørpol. Polene er for øvrig en del av statoren. Rotorens nordpol vil frastøtes av statorens nordpol og tiltrekkes av dens sydpol, det samme vil rotorens sydpol. Rotoren i figuren vil derfor rotere som pilen viser. Når rotorens nordpol når fram til statorens sydpol ville den stoppet om ikke gapet i kommutatoren samtidig passerte forbi børstene, og strømretningen gjennom rotorviklingen snur. Dermed snur magnetiseringen av rotoren, polene er igjen frastøtende og rotoren fortsetter en halv omdreining, før prosessen gjentas.
Denne enkle motoren har flere svakheter: Én er at den ikke vil starte lett i en hvilken som helst posisjon. Startmomentet som er momentet ved oppstart, altså ved lavt turtall, kan med andre ord være lik null. Det vil oppstå pulserende moment når den roterer, og en tredje ulempe er at mellomrommet mellom lamellene er så lite at det oppstår kortslutninger hver gang børstene står mellom disse. En rotor med mange viklinger og dermed en kommutator med mange lameller vil eliminere alle disse problemene.
Bildet nede til høyre viser en rotor tilhørende en liten likestrømsmotor. Her ser en tydelig lamellene av kobber på kommutatoren nærmest i bildet. Kommutatoren er laget av et isolerende stoff (mika) slik at hver av lamellene er elektrisk adskilte fra hverandre. En kan videre se at til hver lamell er viklingene loddet fast, og at viklingene av kopper er lagt ned i spor aksielt med rotorens periferi. Rotoren er forøvrig laget av laminerte blikkplater av spesiallegering for at magnetfeltene skal møte liten motstand, samt at de tidligere omtalte virvelstrømstapene skal bli lave.
Den skjematiske tegningen til høyre viser forenklet hvordan viklingene kan være forlagt i rotoren og forbindelsen til lamellene. Her må en forestille seg at rotoren er «brettet ut» for at fremstillingen skal være enklere å forstå. N markerer som tidligere magnetisk nordpol fra statoren og S sørpol, der den samme nordpolen ligger til både høyre og venstre i tegningen. Legg merke til at alle viklingene gjennomløpes av den samme strømmen, selv om bare to av de seks lamellene har kontakt med børstene. Om en forsøker å følge strømbanen fra for eksempel børsten til venstre, vil en se at strømmen kommer ut ved børsten til høyre. Fra hver av lamellene er det to strømbaner gjennom viklingene. Når rotoren har beveget seg et lite stykke videre vil to lameller ligge mot hver av børstene, dermed er viklingene en kort tid kortsluttet. Etter enda en liten tid vil nye lameller komme i kontakt med børstene, når det skjer vil strømmen i viklingene som først fikk strøm direkte fra børstene, skifte retning.
På bildet til høyre ser en at det er mange vindinger for hvert spor. Mens den skjematiske fremstillingen bare har en vinding gjennom hvert spor. Det er vanlig at kobbertråden er viklet mange ganger gjennom hvert spor. Lorentzkraften vil nemlig virke på hver eneste av vindingene, dermed blir det resulterende momentet på rotoren stort. Viklingenes tilknytning til lamellene og børstenes plassering er for øvrig slik at strømmen har forskjellig retning ved statorens nord- og sørpol, se den skjematiske tegningen.
Over ble det sagt at strømmen i viklingene snur, med andre ord er det en vekselstrøm (og samtidig vekselspenning) i viklingene. Dermed sier en at kommutatoren er en mekanisk likeretter. Altså den sørger for at strømmen som tilføres eksternt kan være en likestrøm. Eller i tilfellet med en likestrømsgenerator: Det er vekselstrøm som induseres i viklingene, men maskinen produserer likestrøm for det kraftsystemet den er tilknytet.[26]
I virkeligheten konstrueres viklingene i en likestrømsmaskin mer komplisert enn det som er beskrevet her. Det er vanlig med mange flere spor i langs rotoren. Dessuten er det ikke uvanlig med mer enn bare to poler.[27]
I tillegg til rotoren består likestrømsmotorene av de hoveddelene som er nevnt innledningsvis, det vil si statoren med feltviklinger som setter opp det magnetiske feltet og akslingen som overfører rotorens bevegelse til arbeidsmaskinen. Feltviklingene er anbrakt på en kjerne av stål som vender ut mot rotoren i senter av statoren, disse kalles polene. Statoren kan bestå av laminerte blikkplater av såkalt bløtt stål på samme måte som rotoren, selv om ikke dette alltid er tilfelle.[28] Stålplatene er i tillegg elektrisk isolert fra hverandre. Dette på grunn av at det tidsvarierende magnetisk felt som går gjennom disse vil føre til virvelstrømer. Det vil si at det induseres sirkulerende strømmer inne i stålet, som igjen fører til varmetap og redusert virkningsgrad.[29]
Rundt polene er det viklet kobberledere med elektrisk isolasjon. Disse er elektromagneter med vekselsvis nordpol og sørpol langs statorens periferi. Som bildet til høyre viser er polene formet som buer, slik at åpningen mellom polene og rotor skal bli så lite som mulig.
Åpningen mellom rotoren og statoren kalles luftgapet, og den magnetiske fluksen som går gjennom dette kalles luftgapsfluksen. Det er denne delen av fluksen som utfører nyttig arbeid. En annen og mindre del av fluksen finner andre veier og kalles lekkfluks.[30] Ofte lages luftgapet så lite som mulig, men flere overveielser må gjøres, for eksempel for ventilasjon og faren for at rotoren kan komme i berøring med statoren.
For øvrig vil antallet poler avhenge av maskinens effekt, omdreiningstall og rotordiameter. Det ligger erfaringsbaserte data bak valg av antall poler. Om poltallet er lite betyr det en stor motor rent fysisk. Antallet poler kan heller ikke bli for stort, 12 poler er gjerne et maksimum.[31]
Det magnetiske feltet fra polene i statoren kalles for hovedfluksen. Fordi det går strøm i rotoren vil det også her oppstå magnetiske felter, kalt ankerfluksen. Et spesielt fenomen er at de magnetiske flukslinjene fra hovedfeltet går tvers gjennom rotoren, altså fra nordpol til sydpol. Derimot har flukslinjene fra ankeret retning på tvers av hovedfluksen. Med økende belastning vil det resulterende magnetfeltet endres og bli asymmetrisk. Dette kalles ankerreaksjon. En konsekvens er økende spenning mellom segmentene under børstene, dette fører til små lysbuer som kan være skadelige. Flere tiltak gjøres for å bøte på dette problemet.[32] To vanlige tiltak er vendepoler[33], også kalt kommuteringspoler, som er egne poler som settes opp mellom hovedpolene. Disse skal sette opp et magnetisk felt som skal gi en motindusert spenning i viklingene tilknyttet segmentene under børstene, dermed motvirkes spenning mellom segmentene. En annen konsekvens av ankerreaksjon er svekket hovedfelt. Egne viklinger i polskoene kalt kompensasjonsviklinger settes inn i utfreste spor i polskoene for å motvirke dette.[34]
.JPG)
Som nevnt kalles de viklingene i en elektrisk maskin som er tilknyttet det eksterne elektriske kraftsystemet for ankeret. I en likestrømsmaskin kaller en derfor ofte rotoren for ankeret. Polene med sine elektriske vindinger kan være tilkoblet kretsen til ankerviklingen på forskjellige måter. Dette gjør at en likestrømsmotor kan få forskjellige karakteristikker, blant annet blir forholdet mellom moment og omdreiningstall påvirket. Se illustrasjon til høyre, med forklaring under:
Ligninger for likestrømsmotoren
Indusert elektromotorisk spenning Ea i ankeret er gitt av:[36]
der; P er antall poler, N er antall vindinger i ankeret, Φ er magnetisk flukstetthet [T] fra feltet og n er omdreiningshastigheten [r/min]. I praksis er antall poler og vindinger definert for en og samme maskin, for overslagsberegninger er det derfor praktisk å innføre en konstant kalt viklingskonstanten Ka, slik at uttrykket blir:[37]
På samme måte brukes en forenklet formel for elektromagnetisk moment:[38]
der ia er strømmen i ankeret, mens de andre parametrene de samme som over.
Disse forenklede uttrykkene sier at i en gitt likestrømsmotor er indusert ankerspenning proporsjonal med omdreiningshastighet, mens momentet er avhengig av ankerstrømmen. Begge parametrene er avhengig av flukstettheten fra feltet.
En annen viktig sammenheng er den for klemmespenning U (spenningen mellom motorens terminaler), resistans i ankerviklingen Ra og indusert spenning Ea:[39]
Sammenhengen er gitt av Kirchhoffs spenningslov.
Ved motordrift er Ea mindre enn U. I en shuntmagnetisert motor vil en svekkelse av strømmen føre til at feltet Φ svekkes. Om da klemmespenningen er konstant, må Ea økes for å balansere forholdet mellom spenningene gitt over. Dermed øker turtallet, noe som kalles feltsvekking.[35]
Uttrykket over forklarer også hvorfor økt motstand i ankerkretsen fører til redusert hastighet i alle magnetiseringsmåtene: Spenningsfallet over RaIa økes, og med gitt klemmespenning U, må Ea reduseres for å få spenningsbalanse. Dermed må i neste omgang hastigheten n minke.[40]
Generelt er hastighetsstyring av likestrømsmotorer enkelt. Tradisjonelt har kontroll av turtallet for likestrømsmotorer vært mye enklere enn for vekselstrømsmotorer.[41] De tre vanligste metodene for hastighetskontroll er:
Kombinasjoner av disse metodene er også vanlig[44] En annen løsning er å bruke permanentmagneter istedenfor feltvikling for polene. En fordel med denne typen motorer er at strøm til magnetisering ikke trengs, noe som i sin tur fører til reduserte tap. Den opplagte ulempen er at avmagnetisering kan oppstå over tid, eller ved for eksempel svært store ankerstrømmer eller overoppheting.[45]
I punktene over ble det beskrevet hvordan forskjellige motorer kan ha forskjellige karakteristikker for moment og turtall. En grunn til at dette er ønskelig er tilpasning til arbeidsmaskinen, som kan ha forskjellige karakteristikker. For eksempel vil kompressorer og transportbelter ha konstant moment selv om turtallet endres, mens vifter derimot vil ha et moment som er kvadratisk proporsjonalt med turtallet. Noen spesielle arbeidsmaskiner som skrupumper har stort moment ved lav hastighet, men som avtar med økende turtall.[46]
Et spesielt problem er at ankeret ikke har noe indusert spenning ved start, altså ved turtall lik null. Når i tillegg den ohmske motstanden er liten betyr det at startstrømmen kan bli skadelig stor. Spesielt for maskiner over 1 kW kan dette bli et problem. Løsningen på dette er å sette inn en motstand i serie med ankeret, en såkalt igangsetter eller startmotstand. Denne kan ha flere trinn som kobles ut gradvis etter som turtallet øker.[34]
Som nevnt har noen motorer driftsforhold der bremsing er ønskelig, eksempler er lokomotiver, trikker, heisekraner og elevatorer. En enkel metode er såkalt motstandsbremsning der ankeret til motoren kobles vekk fra kraftforsyningen og over til en motstand, også kalt bremsemotstand. Ankerstrøm og dreiemoment snur retning i forhold til vanlig drift, dermed virker motoren som generator. Bremsemotstanden vil da avgi varme til omgivelsene. En annen metode er å la maskinen være tilkoblet kraftsystemet, og mate ut energien under bremsing til kraftnettet. For å få bremsevirkning må den induserte spenningen i ankeret være større enn nettspenningen. Dette oppnås med å øke feltet, altså øke magnetiseringsstrømmen. Denne typen regenerativ bremsing er hensiktsmessig der bremsingen skjer over lengre tid, for eksempel tog som kjører ned lange bakker.[47]
Som nevnt har likestrømmotoren utmerkede egenskaper når det gjelder turtallsregulering, dermed har dette vært den foretrukne motoren for drifter der dette er viktig. Men hvordan skal en få til å bruke en likestrømsmotor, når praktisk talt all kraftforsyning er i form av vekselstrøm? For tog og sporvogner er det gjerne helt egne kraftsystemer for dette. Disse blir forsynt med likestrøm fra overliggende kraftsystemet (vekselstrøm) som blir likerettet. Dette har vært vanlig siden 1930-årene[48] ved at det er egne stasjoner med kvikksølv-likeretter langs banen. Nå brukes helst kraftelektroniske likerettere. For andre bruksområder fins andre metoder.
En tradisjonell løsning er Ward-Leonard systemet (eller bare leonardkoblingen) som egner seg der nøyaktig styring over et stort turtallsområde er nødvendig. Denne kan bestå av en oppstilling av elektriske maskiner som vist i figuren til høyre. Til venstre kommer forsyningen inn med trefase vekselstrøm til en vekselstrømsmotor (1). Dette kan typisk være en asynkronmaskin. Denne har to likestrømsgeneratorer tilknyttet sin aksling, nemlig en egen generator for å lage magnetiseringsstrøm (3) og en styregenerator (2) som produserer strømmen til hovedmotoren (4). Magnetiseringsstrømmen fra generatoren (3) forsyner hovedfeltet både til hovedgeneratoren (2) og hovedmotoren (4).[49]
Ved å endre på reostatens (5) innstilling kan hovedgeneratorens spenning justeres, dermed vil også spenningen Ua til ankret til hovedmotoren kunne reguleres. Dette ble forklart over som en av metodene for å regulere turtallet på likestrømsmotoren. En reostat kan også settes inn i serie med feltviklingen til hovedmotoren, slik at også denne kan reguleres. Med dette oppsettet oppnås gode reguleringsegenskaper, men en opplagt ulempe er behovet for hele tre elektriske maskiner for å håndtere turtallsregulering av kun én motor.
Kraftelektroniske motorstyringer begynte sin store utbredelse i siste halvdel av 1900-tallet.[48]. Disse består i hovedsak av halvlederkomponenter som er i stand til å kontrollere den elektriske energistrømmen til en motor. En typisk komponent som benyttes er dioden, som kun leder strøm i én retning. Ved å sette sammen slike enheter kan det konstrueres en likeretter. Likeretteren omformer vekselstrøm til likestrøm, noe som kan være nyttig i forbindelse med en likestrømsmotor. En annen viktig komponent er tyristoren som også slipper strøm gjennom i bare en retning, men som i tillegg kan kontrolleres slik at den leder strøm kun når den får signal om å gjøre det. Tyristorstyrte motordrifter gjør bruk av denne egenskapen. En tegning som viser prinsippet er vist til høyre. Denne motordriften kan brukes til å oppnå det samme som Ward-Leonard systemet, men uten at andre maskiner enn selve hovedmotoren trenges.
Likestrømsmotorer har tradisjonelt hatt stor utbredelse på grunn av sine forskjellige karakteristikker og enkle hastighetsstyring.[50] Tradisjonelle bruksområder er papirmaskiner, valseverk, boreplattformer, heiser, sporvogner og jernbane. Typisk er startmotoren i en bil en likestrømsmotor da bilbatteriet gir likestrøm.[51]
Til tross for gode driftsegenskaper er den store ulempen at kommutatoren en kostbar og vedlikeholdskrevende komponent. Kommutatoren er sammensatt av mange materialer som kobber, mika og stål. Den er sterkt utsatt for deformasjoner på grunn av sentrifugalkrefter, varmeutvikling, friksjon og lysbue.[52] Med introduksjon av kraftelektronikk for styring av asynkronmaskiner har bruken av likestrømsmotorer blitt betydelig mindre. Dessuten er likestrømsmotorene kostbare, mens asynkronmaskinene både er billige og nesten vedlikeholdsfrie.[53]
Asynkronmotoren er den aller mest brukte motoren for vekselspenning, og en regner med at langt de fleste motorer er av denne typen. Typisk produseres disse motorene fra ytelser på noen få watt, og da som enfasemotorer helt opp til 500 W. Disse kan da tilknyttes vanlig nettspenning. For effekter fra 0,5 og opp til rundt 3 000 kW brukes forsyning fra trefase kraftsystem. Tilknytting til høyspent kraftforsyning, altså spenning over 1000 V, er vanlig for motorer fra 200 kW og oppover. Asynkronmotorer er vanlig helt opp til rundt 15 MW, men for så store effekter foretrekkes heller synkronmotorer.[54]
For motorer for de laveste effektnivåene finnes det en rekke forskjellige andre og billigere motortyper.
Helt siden motorer for vekselstrøm ble funnet opp har disse først og fremst vært maskiner best egnet for konstant hastighet. Ikke før utbredelsen av kraftelektroniske omformere tok til for fullt utover på 1980-årene ble enkel og billig turtallstyring av de typiske vekselstrømsmotorene vanlig.[48]
Selv om en snakker om synkron- og asynkronmotorer er det ikke noen prinsipiell forskjell mellom disse om de går som generatorer. I litteraturen snakker en derfor helst om synkron- og asynkronmaskiner. Imidlertid er de alle fleste generatorer synkronmaskiner og de aller fleste motorer asynkronmaskiner.
Utdypende artikkel: Vekselstrøm
Utdypende artikkel: Elektrisk effekt
Kraftsystemer for trefase vekselstrøm har utviklet seg til å bli praktisk talt enerådende siden introduksjonen i 1890-årene.[11] Generering av vekselspenning skjer i generatorer slik at det oppstår tre spenninger som i tid er innbyrdes forsinket. En sier også at spenningene er forskjøvet. Denne forskyvningen kalles faseforskyvning. Bildet til høyre viser helt generelt en generator vil venstre med tre spenningskilder, tre faseledere og en last til høyre. Lasten kan gjerne være en motor der viklingene for hver fase er representert med de tre impedansene. Generatoren er koblet i stjerne og motorens viklinger i trekant. I senter av stjernekoblingen er et punkt kalt nøytalpunktet, her merket n. På grunn av faseforskyvningen mellom spenningene blir spenningen her null, dermed vil det ikke være noen potensialforskjell mellom dette punktet og jordpotensialet.
Faselederne fører henholdsvis strømmene I1, I2 og I3. Det er vanlig å kalle de tre lederne L1, L2 og L3, eller R, S og T, samt flere andre betegnelser. Mellom to og to faseledere kan en måle de tre spenningene U12, U23 og U31. Legg dermed merke til at det er en større spenning over hver av impedansene i trefasekoblingen enn over spenningskildene i stjernekoblingen.
Belastningen som er vist her kan altså være en trefasemotor. Om det skal tilknyttes en motor for bare enfasestrøm kan denne tilknyttes to faseledere, for eksempel L1 og L2.
Noe av hensikten med kraftsystemer for trefaset strøm er at elektriske motorer skal få et såkalt elektromagnetisk dreiefelt. Dette blir forklart lenger ned er nødvendig for å få jevn effekt og moment fra maskiner for vekselspenning.[55][56]
På samme måte som andre motortyper består asynkronmotoren av en ytre stillestående stator og rotoren med tilkoblet aksling. I statorens indre periferi er det spor der viklingene er plassert, disse tilknyttes kraftsystemet, se bildet til høyre. Selve statorhuset kan være utført i lettmetall, mens støpejern eller sveiste stålplater er vanlig for større maskiner. Statorkjernen der viklingene ligger i utstansede spor og som skal lede det magnetiske feltet er laget av blikkplater. Blikket er typisk 0,4 til 0,6 mm tykt og platene er isolert fra hverandre med lakk.[57] Dette er beskrevet tidligere for likestrømsmotorene som laminert blikk. De utstikkende delene av blikket, altså den delen av det utstansede blikket som ligger mellom sporene, kalles ofte for tenner.
Rotoren er som bildet til høyre viser sylindrisk. Det er bygget opp av blikk med spor til lederne. I hovedsak består den av tre deler, nemlig en indre bærende del, laminert blikk bygget opp på samme måte som statorens blikk, i tillegg til rotorledere eller viklinger. For mindre motorer kan blikket være direkte festet til akslingen, mens for større er blikket festet til et såkalt rotorkryss. Når det gjelder viklingene viser ikke bildet til høyre hvordan disse egentlig er konstruert, men illustrasjonen nedenfor viser utformingen når det laminerte blikket er fjernet. Av denne tegningen skjønner en hvorfor typen rotorviklinger kalles burvikling; den ser ut som et bur.[lower-alpha 3] Et annet navn er kortslutningsrotor. Kortslutningsviklingene er laget av aluminium eller kobber, de består av staver (rotorstaver) som er parallelle med akslingen og i hver ende kortsluttet av en ring. Rotoren har ikke noe spesielt antall poler, det er andre fysiske forhold som bestemmer dens utformingen.[58] På grunn av rotorens svært enkle form blir motortypen billig ved produksjon, samt at vedlikeholdet blir meget enkelt.[59]
En annen type rotor er den viklede rotoren med sleperinger. Den rotoren har viklinger nesten som på en likestrømsmotor. Viklingenes terminaler er ført ut til tre sleperinger som via børster, ledninger og kontakter kan ha forbindelse med eksterne reostater. Vanligvis er viklingene i denne typen rotor stjernekoblet. I slike maskiner må det være like mange poler i rotoren som i statoren. Hensikten med eksterne motstander tilknyttet rotoren er å påvirke startegenskapene, i tillegg til at også turtallet kan justeres i normal drift. Denne maskintypen er dyrere enn den enklere utgaven med kortslutningsrotor.[60] Lenger ned blir denne motortypen forklart mer inngående.
Vesentlig for virkemåten for trefase vekselstrømsmotorer er det magnetiske dreiefeltet. Dette fremkommer på samme måte i asynkron- og synkronmaskiner. Diagrammet til høyre nedenfor viser seks spor med viklinger anbrakt i periferien av en stator. Viklinger med samme farge tilhører samme fase, dermed er dette den enklest mulige arrangementet for en stator, en kaller dette for en topolet trefaset statorvikling. At viklingene er tilknyttet hver sin fase vil si at de har terminaler som er tilknyttet de tre faselederne i kraftsystemet. Internt kan viklingene være koblet i stjerne eller trekant. Viklinger tilhørende samme fase er distribuert i rommet slik at det er 120° mellom dem. Om disse tilknyttes trefase elektrisk spenning illustrert med de tre sinuskurvene nede i figuren, vil det gå strøm i viklingene. Denne strømmen vil også ha samme sinusform. Den setter i sin tur opp et magnetfelt, og styrken av magnetfeltene pulserer etter et spesielt mønster.
I det øyeblikket at den strømmen merket med grønn farge i koordinatsystemet har sin største negative verdi, oppstår det sterkest mulige magnetiske feltet i de grønne viklingene. De røde og blå viklingene har da strømmer som har lavere verdier og motsatt polaritet, men feltet fra disse viklingene virker også i retning mellom dem. Alle disse tre magnetiske feltene kan en forestille seg representert med en pil (vektor) der lengden representerer styrken og posisjon retningen. Summen av disse tre pilene er representert med den ene tykke pilen i figuren, som en kaller vektorsummen. Når strømmen med grønn farge har sin største negative verdi er vektorsummen som vist i bildet øverst til venstre. En kort tid etter er det strømmen merket blå som har størst verdi. Det er nå de blå viklingene som har sterkest felt, men også nå bidrar feltene fra de to andre viklingsparrene til å forsterke dette feltet. Enda en kort tid etterpå gjentar dette seg for den strømmen markert med rødt. Pilen som representerer magnetfeltet er markert bare for de syv tilfellene der strømmene har etterfølgende positive og negative toppverdier, men for alle verdier av de tre strømmene vil vektorsummen være like stor. Dreiefeltet har dermed helt jevn hastighet og like stor vektorsum. En definerer dette til å være en topolet maskin, altså kun en nord- og sørpol, men med flere viklinger kan det konstrueres en stator med flere par av nord- og sørpoler. Resultatet blir et dreiefelt med lavere hastighet.
Dreiefeltet som fremkommer i statoren i en motor skapes av strømmer som er skapt i generatorer. Der er utførelsen av statoren i prinsippet akkurat lik beskrivelsen over, og de tre sinusformede elektromotoriske spenningene er frembrakt ved induksjon fra en rotor som lager et magnetisk felt. Det er nær sammenheng mellom dreiefeltet i motorer og generatorer.
Illustrasjonen til høyre viser en mer komplisert stator. Denne har tolv spor for viklingene. Den nederste tegningen viser selve statoren med viklingene i omfanget, mens den øverste tegningen viser statoren «brettet ut». Viklingene tilhørende de tre fasene, her benevnt U, V og W, har sine helt spesielle plasser i sporene, der illustrasjonen viser viklingen for fase U. Denne viklingen har to terminaler, merket U1 og U2, det samme har de andre viklingene. Dermed kan for eksempel U1, V1 og W1 være tilknyttet kraftforsyningen. Terminalene U2, V2 og W2 kan enten kobles sammen i stjerne eller trekant, slik som koblingsboksen gir mulighet for som vist i det øverste bildet for dette avsnittet. Som en ser er viklingene til fase U plassert i de røde sporene, merket +U og -U, med tre vindinger (omdreininger) i hvert spor. De fire sløyfene med piler i tegningen under, med både rotor og stator inkludert, viser magnetfeltene som oppstår når spenningen for fase U når har sin toppverdi. En sier at magnetfeltet går fra nord- til sørpol, dermed vil nordpolene være der pilene går ut av statoren og inn mot senter. Sørpolene er der pilene har retning fra senter og inn mot statoren.
Animasjonen til høyre under viser dreiefeltet når det går strøm i statorviklingene fra et trefaset kraftsystem. I rotorens burvikling vil det induseres en elektromotorisk spenning i alle stavene. Fordi stavene er kortsluttet og laget av et god ledende materiale vil det gå store strømmer i dem. Denne strømmen vil være størst om statoren står stille, fordi den relative bevegelsen mellom rotor og dreiefeltet da har sin største verdi. Når det går en strøm i en leder som det virker et magnetfelt på, vil det etter Lenz's lov virke en kraft på lederen. Dermed virker det krefter på alle stavene i rotoren, noe som får den til å rotere. En kaller dette for elektromagnetisk moment.
Det roterende feltet induserer altså en spenning i rotoren, som får det til å gå strøm i den helt uten at rotoren har noen ekstern strømtilførsel. Rotoren vil akselerere opp helt til omdreiningstallet er nesten lik statorens dreiefelt, mens dette skjer avtar strømmene i rotoren. Årsaken til dette er at den relative omdreiningshastigheten mellom rotor og dreiefeltet blir mindre og mindre jo større hastighet rotoren får. Om det var mulig at rotoren kunne få akkurat samme hastighet som dreiefeltet ville indusert spenning vært null, dermed ville det heller ikke gå noen strøm i rotoren. Av dette kan en slutte at rotoren må ha litt lavere hastighet enn dreiefeltet for å kunne rotere, og for at det elektromagnetiske momentet skal oppstå. Dette kalles for asynkront moment.[61] Naturen bak dette elektromagnetiske momentet blir forklart lenger ned.
I praksis stiller det seg inn en likevekt mellom hastighet av rotoren og indusert strøm som er slik at elektromagnetisk moment er stort nok til å dra rundt arbeidsmaskinen som er tilknyttet akslingen. Om motoren ikke er tilknyttet en arbeidsmaskin, sier en at den går i tomgang. Asynkronmaskinen har da sin største hastighet, og momentet som utvikles er kun det som skal til for å motvirke friksjon og luftmotstand.[61]
Den relative hastigheten mellom rotor og stator kalles sakkingen. Rotorens hastighet er som nevnt litt lavere enn dreiefeltets hastighet. For en maskin med to poler, altså en nordpol og en sørpol, som er tilknyttet et kraftsystem for vekselstrøm med frekvens 50 Hz er dreiefeltets hastighet 3000 r/min. Denne hastigheten kalles synkron hastighet. En maskin med fire poler får en synkron hastighet på 1500 r/min Som forklart lengre opp er det arrangementet av viklingene i statoren som avgjør antall poler, og dermed hastigheten motoren konstrueres for. Asynkronmotorens rotor får en hastighet som er bare litt under synkron hastighet. Bildet til øverst til dette kapittelet viser merkeskiltet til en asynkronmaskin. Her står det blant annet at hastigheten er 1480 r/min, dette vil si at hastigheten er rundt 1 % saktere enn synkron hastighet på 1500 r/min. En sier at at sakkingen er 1 % eller 0,01.
Som nevnt blir det indusert strømmer i asynkronmotorens rotorviklinger og denne strømmen setter opp en magnetisk fluks. Denne fluksen fra rotor virker sammen med statorens fluks for å gi elektromagnetisk moment. En viktig egenskap med asynkronmotoren er at selv om rotoren roterer med hastighet lavere enn den synkrone, vil feltet fra rotoren allikevel ha synkron hastighet. Med andre ord roterer rotorfeltet i samme hastighet som dreiefeltet fra statoren. Disse to roterende magnetiske feltene vil ha en sterk tendens til å justeres inn på linje i forhold til hverandre, noe som skaper elektromagnetisk moment. I en asynkronmotor vil statorfluksen, om den erstattes med en vektor, være litt foran den vektoren som representerer rotorfluksens vektor. Desto mer statorfluksen er foran rotorfluksen, desto større moment utvikles.[26] Det elektromagnetiske momentet vil være eksakt like stort og motsatt rettet av momentet fra arbeidsmaskinen. Indusert elektromotorisk spenning oppstår også i statorens viklinger. Dermed vil det være en spenning i statoren som er motsatt rettet av spenningen fra det tilknyttede kraftsystemet.
Luftgapet er som nevnt avstanden mellom rotor og stator i en elektrisk maskin. For en asynkronmaskin er lengden av luftgapet vanligvis noen få millimeter, og jo lengre det er, jo større magnetisk motstand (reluktans) vil det representere. Luftgapet avgjør dermed flere forhold i en asynkronmotor: Det får betydning for blant annet reaktivt effektforbruk, overbelastningsevne, momentpulsasjoner, kjøling og støy. De to første faktorene blir bedre jo mindre luftgapet er, mens de andre forholdene forbedres av større luftgap.[62] Luftgapets lengde er altså noe motorkonstruktøren skal bestemme ut fra motstridene hensyn.
Et typisk problem for en asynkronmaskin er den store startstrømmen når rotoren skal settes i bevegelse. Typisk kan strømmen ved stillestående rotor være fire til åtte ganger større en merkestrømmen. Startstrømmen forandrer seg lite inntil det såkalte kippturtallet er nådd, se fremstilling av moment og turtall i figuren nede til høyre. Om arbeidsmaskinen tar lang tid å akselerere opp, trekker motoren stor strøm over lengre tid, noe som kan forstyrrer øvrige forbrukere tilknyttet kraftnettet.[63] Vanligvis vil også motoren trekke overveiende reaktiv effekt ved start. Til tross for stor startstrøm kan derfor startmomentet ved start være lavt. Dette er typiske dårlige egenskaper for en motor.[64] Ikke bare fører dette til forstyrrelser på nettet, det fører også til stor oppvarming i motoren.[65]
Det enkleste er selvsagt at motoren kan kobles direkte til kraftnettet ved at bryteren legges rett inn. Imidlertid vil dette ikke kunne tillates om problemene som er beskrevet over er for store, for eksempel kan elverket ha krav til hvor store motorer som tillates direktestartet.[63] En løsning på dette er stjerne/trekant-start, som har vært mye brukt. Som nevnt over vil vanligvis begge terminalene til viklingene for hver fase være tilgjengelige i motorens koblingsboks. Dermed kan det foretas kobling av motorens viklinger mens den er under oppstart. Bildet øverst til høyre viser hvordan dette utføres for en motor som i normal drift er beregnet for trekantkobling. For å forbedre oppstartegenskapene kobles maskinen i stjerne ved oppstart, det vil si at bryteren merket K2 kobles inn først, deretter legges selve hovedbryteren K1 inn. Først når motoren har fått tilnærmet normalt turtall skjer en omkobling fra bryter K2 til K3. Som moment/turtall-karakteristikken i illustrasjonen til høyre viser kan motoren etter at K3 er koblet inn belastes betydelig mer: I stjerne-kobling kan den ikke en gang belastes opp til merkemoment (100 %), mens den i trekant-kobling kan belastes betydelig mer (opp mot 300 %).
Årsaken til at effekten er så mye lavere ved sternekobling er at spenningen over motorviklingene bare er . 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.[66]
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.
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.[67] 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 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.[68] Starttransformator er en metode som brukes for motorer med burvikling og ytelse typisk over 500 kW.[69] Transformatoren har gjerne flere trinn slik at oppstarten skjer i flere tinn med redusert spenning. Helt til slutt i startforløpet kobles transformatoren helt ut.[70] En annen startmetode er Kusa-kobling der en motstand settes inn i bare en av faselederne. Dette brukes blant annet for å redusere startmomentet.[69]
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.[71]
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 Hz) når rotoren står stille (med det samme spenningen slås på), til å få en verdi på mellom 2 eller 3 Hz ved normal hastighet. Ved å utnytte skinneffekten 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.[72][73]
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.[74]
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.[75]
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.[76] 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 Hz blir synkront turtall 3000 r/min, mens i det første tilfellet blir synkront turtall 1500 r/min.[77]
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.[76]
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.[78] 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.[79] Det finnes flere variasjoner for hvordan dette konseptet kan utnyttes: Kondensatoren kan enten være tilkoblet kontinuerlig, eller bare ved start.[80]
Utdypende artikkel: Puls-bredde modulasjon
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[lower-alpha 4], som har vært en mer og mer vanlig metode siden begynnelsen i 1960-årene[48][81] 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 Hz, enfase 16,7 Hz eller likestrøm.
Asynkronmotoren er på grunn av sin enkle oppbygging svært driftsikker og billig.[82] 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 kW, men en del lavere for små motorer.[83] Lenger ned blir normer for virkningsgrad beskrevet.
En ulempe med asynkronmotoren er at den trekker en del reaktiv effekt for magnetisering.[84] En annen ulempe er startkarakteristikker som kan være problematiske, spesielt meget store strømmer ved direkte start av store arbeidsmaskiner.[64] 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.
.jpg)
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.[85][86]
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.[87]
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.[88]
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.[89] 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.[90] 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.[91]
Over til høyre er en tegning av en rotor med fire poler for stor hastighet. Denne er produsert i USA hvor 60 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:
Indusert elektromotorisk spenning i statoren (ankeret) er gitt av uttrykket:[92]
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.[93] 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:
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:
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.[94] 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.[88]
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.[95]
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.[96] 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.[97]
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.[98] 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.[99]
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.[100]
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.[88] 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.[101]
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.[102] Som beskrevet over har den visse utfordringer ved oppstart. Den er også mer kostbar enn asynkronmaskinen med sin svært enkle rotor.
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.[1] 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 r/min.[103] 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.
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.[104] 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[78] 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.[105]
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.[106] En ulempe med denne motoren er lav effektfaktor, typisk cos φ = 0,5 – 0,6.[107]
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.[108]
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.[109]
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 15 000 r/min.[110]
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.[110] 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.[111]
I denne artikkelen er det flere bilder som viser komponenter fra denne typen motor.
| Tomgang | Kortsluttet | Posisjon for rotasjon med klokken |
Posisjon for rotasjon mot klokken |
|---|---|---|---|
 |
 |
 |
 |
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.[112]
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.[113]
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.
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.[114][115]
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.[115] Dens bruksområde er leketøy, hårtørkere og små vifter.[114]
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.[115]
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.[116]
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.[117]
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.[118]
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.[119]
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.[bør utdypes] 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.[120]
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.[121] Altså mange av de samme bruksområdene som nevnt innledningsvis for skrittmotorer generelt.
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.[122]
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.[122]
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.[122]
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.[123] 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.
_IS_TESTED_AT_THE_DEPARTMENT_OF_TRANSPORTATION_HIGH_SPEED_GROUND_TEST..._-_NARA_-_545931.jpg)
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.[124]
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.[124]
.jpg)
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:[125]
For synkronmotorer kan i tillegg disse skadene oppstå:[125]
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.[126]
Relevernene var tidligere elektromekaniske, senere ble elektroniske releer utviklet, og i dag er mikroprosessorstyrte (digitale) vern vanlig.
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.[127]
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.[127]
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.
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.[128] 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.[129]
.JPG)
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.[130]
Magnetiseringstapene består av alle strømvarmetap for å fremskaffe magnetisk felt,[131] 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.[132]
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.[132]
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.
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 – 40 000 driftstimer. Spesielt er det viklingenes isolasjon som eldes på grunn av høye temperaturer, og som dermed avgjør maskinens livslengde. En tommelfingerregle sier at 10 °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.[133]
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 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.[133]
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.[134] 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.
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 0530 er:[135]
Disse klassene er beskrevet med ytterligere detaljer enn det som er tatt med her.
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 6 040 Mt. Størstedelen av motorer i bruk er på under 0,75 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 kW. De største motorene over 375 kW utgjør i antall bare 0,03 % av alle motorer, men forbruker 23 % av energien til motordrifter totalt.[136]
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.[136]
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.
| Mekanisk ytelse [kW] | 1 | 10 | 100 | 200 | 300 |
|---|---|---|---|---|---|
| Nominell virkningsgrad [%] klasse IE1 (standard) | 74 % | 87 % | 93 % | 94 % | 94 % |
| Nominell virkningsgrad [%] klasse IE2 (high) | 81 % | 89 % | 94 % | 95 % | 95 % |
| Nominell virkningsgrad [%] klasse IE3 (premium) | 84 % | 91 % | 95 % | 96 % | 96 % |
| Nominell virkningsgrad [%] klasse IE4 (super premium) | 87 % | 93 % | 96 % | 96 % | 97 % |
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.[137]
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.[138]
Som nevnt over er størstedelen av motorer i bruk på under 0,75 kW. Motorer over 375 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 kW er det først og fremst snakk om asynkronmotorer som fabrikkeres og omsettes uavhengig av applikasjonen.[136]
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 MW[139] for synkronmotorer. Likestrøms- og asynkronmotorer leveres for lavere ytelse, typisk opp til 40 MW.[140] 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.[141]
Den minste motoren til nå (2011) hevdes å være et roterende molekyl med lengde 1 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 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.[142]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
