Vaihtosähkömoottori

Vaihtosähkömoottorit ovat vaihtosähköllä toimivia sähkömoottoreita. Yleisimmät teollisuudessa käytetyt vaihtosähkömoottorit ovat oikosulkumoottori (induktiomoottori), kestomagneettitahtimoottori ja vierasmagnetoitu tahtimoottori.

Kaikkia sähkömoottoreita voidaan käyttää myös generaattoreina. Suurilla tehoilla kuitenkin tyypillisesti käytetään vain vierasmagnetoituja tahtikoneita, sillä niiden hyötysuhde on varsin korkea. Kaikki edellä mainitut koneet kuuluvat kiertokenttäkoneisiin. Tähän ryhmään kuuluu myös synkroninen reluktanssikone. Toistaiseksi tätä konetyyppiä kuitenkin käytetään varsin vähän. Induktiokoneiden ryhmään kuuluuvat myös liukurengasmoottori, jossa roottorissa on vyyhdistä koostuva käämitys oikosuljetun häkkikäämin asemesta, sekä massiiviroottorikone, jossa roottorin muodostaa massiivinen teräskappale. Vaihtosähkömoottorit tai toiselta nimeltään myös vaihtovirtakoneet jaotellaan epätahti- ja tahtikoneisiin toimintaperiaatteen mukaan.

Epätahtimoottori

Oikosulkumoottori eli induktiomoottori

Oikosulkumoottori on yleisin teollisuuden sähkömoottorityyppi. Oikosulkumoottoria voidaan käyttää suoraan verkkokäyttöisenä tai taajuusmuuttajalla syötettynä. Oikosulkumoottorin staattorissa on uriin jaettu käämitys, joka tuottaa sinimuotoisen magneettimotorisen voiman. Roottorissa on oikosuljettu häkkikäämitys. Oikosulkumoottorin roottori pyörii epätahdissa staattorin syöttötaajuuteen nähden. Tästä syystä konetta kutsutaan myös epätahtikoneeksi tai asynkronikoneeksi. Roottorin sähköisen pyörimistaajuuden ja staattorin syöttötaajuuden erotusta kutsutaan jättämätaajuudeksi. Oikosulkumoottorin tuottama vääntömomentti on nimellistoimintapisteen läheisyydessä verrannollinen jättämään. Oikosulkumoottori magnetoidaan staattorista, minkä vuoksi sen tehokerroin on ykköstä pienempi, tyypillisesti n. 0,8.

Tahtimoottorit

Vierasmagnetoitu tahtimoottori

Vierasmagnetoituja tahtimoottoreita käytetään suurissa jauhimissa ja valsseissa sekä generaattoreina. Vierasmagnetoitu tahtikone magnetoidaan roottorin napakäämin avulla, jota syötetään erillisellä muuttajalla. Napakäämivirran avulla voidaan vaikuttaa koneen tehokertoimeen. Ylimagnetoimalla konetta voidaan tuottaa loistehoa, esimerkiksi induktiokoneiden tarpeisiin. Generaattoreiden napakäämivirran säätöä käytetään verkon jännitteen säätämiseen. Vierasmagnetoidussa tahtikoneessa on tyypillisesti oikosuljetut vaimennuskäämit. Vaimennuskäämitys lisää koneen stabiiliutta sekä mahdollistaa sen käynnistämisen suoraan verkkoon.

Kestomagneettitahtimoottori

Kestomagneettitahtimoottoreita käytetään vain taajuusmuuttajasyötöllä. Kestomagneettitahtikoneen roottorissa on kestomagneetit, jotka magnetoivat koneen. Kestomagneettitahtikoneen tehokerroin on tästä syystä selvästi parempi kuin induktiokoneella. Kestomagneettitahtikoneet voidaan jakaa pintamagneettikoneisiin ja upotetuilla magneeteilla varustettuihin koneisiin. Pintamagneettikoneen roottorin kestomagneetit on asennettu roottorin pinnalle liimaamalla. Magneettien kiinnipysyminen varmistetaan usein roottoria kiertävällä lasikuitupannalla. Upotetut magneetit asennetaan roottorilaminoinnin sisään. Magneettien sijoittelu vaikuttaa koneen ominaisuuksiin siten, että pintamagneettikone on magneettisesti melko symmetrinen, ts. roottorin magneettiset ominaisuudet ovat melko samanlaiset tarkastelusuunnasta riippumatta. Upotetuin magneetein varustetun koneen magneettiset ominaisuudet taas riippuvat tarkastelusuunnasta siten, että tyypillisesti pitkittäisakselin (magneettiakselin) suunnassa induktanssi on pienempi kuin poikittaisakselin suunnassa. Induktanssiero aiheuttaa reluktanssivääntömomentin, jota voidaan hyödyntää moottorisäädössä. Kestomagneettikoneiden hyötysuhde on tyypillisesti parempi kuin induktiokoneilla, sillä niiden roottorissa ei tapahdu juuri lainkaan häviöitä. Kestomagneettikoneiden ominaisuudet ovat erityisen hyvät pienillä pyörimisnopeuksilla, sillä moninapaisen kestomagneettikoneen ominaisuudet eivät huonone yhtä voimakkaasti kuin vastaavalla induktiokoneella. Tämä ominaisuus on mahdollistanut ns. suoravetokäyttöjen rakentamisen, missä induktiokone ja alennusvaihde on voitu korvata suoraan toimilaitteeseen kytketyllä hitaasti pyörivällä kestomagneettimoottorilla.

Synkronireluktanssikone

Synkronireluktanssikone on tahtimoottori, jonka vääntömomentin tuotto perustuu jatkuvuustilassa pelkästään induktanssiepäsymmetrian aiheuttamaan reluktanssivääntömomenttiin. Reluktanssikoneessa voi olla myös vaimennuskäämitys, jonka tuottama vääntömomentti vaikuttaa transienttitilanteissa koneen käyntiä vakavoivasti ja voi mahdollistaa koneen käynnistämisen suoraan verkkoon. Taajuusmuuttajasyötöllä vaimennuskäämitystä ei välttämättä tarvita. Reluktanssikoneen roottori valmistetaan tyypillisesti laminoiduista sähkölevyistä. Roottorista pyritään vuoesteiden avulla saamaan magneettisesti hyvin epäsymmetrinen. Vuoesteet voivat olla ilmaa tai jotain muuta epämagneettista materiaalia. Synkronireluktanssikoneen ominaisuudet voidaan saada hyviksi mikäli induktanssiepäsymmetria on riittävän suuri. Hyvänä arvona pidetään yleensä noin kymmentä. Synkronireluktanssikonetta ei ole edullista rakentaa kovin moninapaiseksi, sillä tällöin suuren induktanssieron aikaansaaminen on vaikeaa. Toistaiseksi synkronireluktanssikone on melko harvinainen konetyyppi teollisuudessa.

Muita vaihtosähkömoottoreita

Muita vaihtosähkömoottorityyppejä ovat yleisvirtakone eli kommutaattorisarjakone ja sulkunapamoottori. Näiden koneiden hyötysuhde ja ominaisuudet ovat varsin heikkoja, minkä vuoksi niitä käytetään tyypillisesti pienitehoisissa yksivaiheisesti syötetyissä laitteissa kuten käsityökaluissa ja pienissä puhaltimissa. Yleisvirtakoneen rakenne on periaatteessa samanlainen kuin sarjatasavirtakoneella, mutta magneettipiiri on vaihtovuon aiheuttamien pyörrevirtojen vähentämiseksi tehty levyrakenteisena.

Kytkinreluktanssikone eli molemmin puolin avonapainen reluktanssikone kuuluu myös vaihtosähkökoneisiin. Kytkinreluktanssikone on luonteeltaan askelmoottoria, minkä vuoksi siitä on vaikea saada tasaista vääntömomentti.