Elektrimootor

Elektrimootoreid. Ees keskel on suuruse võrdlemiseks 9-voldine patarei

Elektrimootor on elektromehaaniline seade, mis muundab elektrienergia mehaaniliseks tööks.

Enamik elektrimootoreid töötab tänu elektromagnetismi nähtusele. Kuid on ka mootoreid, mille töö põhineb teistel elektromehaanilistel nähtustel, nagu näiteks piesoelektrilisel efektil või elektrostaatilistel jõududel. Elektromagnetismi nähtusel põhinevad mootorid tekitavad jõudu magnetvälja ja voolu all oleva juhti vastastikmõjust. Vastupidise saavutamiseks, elektrienergia tekitamiseks mehaanilisest energiast, kasutatakse generaatoreid või dünamoid. Mõnda elektrimootorit saab kasutada ka generaatorina, näiteks sõiduki veomootor võib olla kasutusel mõlemal eesmärgil. Elektrimootoreid ja generaatoreid kutsutakse ühisnimega elektrimasin.

Elektrimootoreid kasutatakse paljudes seadmetes: puhurites ja pumpades, tööpinkides, kodumasinates, elektrilistes tööriistades ja kõvaketastes. Neid saab toita alalisvooluga, selle näiteks on akutoitel kaasaskantav seade või mootorsõiduk, ja vahelduvvooluga elektrivõrgust või inverterist. Väikseimaid mootoreid leiab käekellade ja mobiiltelefonide seest. Keskmise suurusega standardiseeritud mootoreid kasutatakse tööstusseadmetes. Kõige suuremad elektrimootoreid kasutatakse laevade liigutamiseks, torujuhtmete survestamiseks ja vee pumpamiseks elektrienergia salvestamiseks mõeldud hüdroelektrijaamades, kus mootorite võimsused võivad ulatuda miljonite vattideni. Elektrimootoreid saab jaotada kasutatava elektrienergia, ehituse, rakenduse või liikumisviisi järgi.

Vooluga juhi ja magnetvälja vastastikmõjus tekkiva mehaanilise jõu füüsikalise põhimõtte, Faraday seaduse avastas 1831. aastal Michael Faraday. 1821. aastast kuni 19. sajandi lõpuni valmistati järjest efektiivsemaid mootoreid, aga mahuka kommertskasutuse jaoks oli vaja efektiivseid generaatoreid ja elektrivõrku. Esimesed edukad elektrimootorid tegi Zénobe Gramme 1873. aastal.

Mõned seadmed muudavad elektrit liikumiseks, aga nende põhieesmärk ei ole kasuliku mehaanilise jõu tootmine, seepärast ei nimetata neid enamasti ka elektrimootoriteks. Näiteks solenoide ja valjuhääldeid nimetatakse enamasti mootori asemel täituriks ja muunduriks.

Ajalugu

Faraday elektromagnetiline eksperiment, 1821

Elektromagnetilist viisi elektrienergia mehaaniliseks energiaks muutmiseks demonstreeris Briti teadlane Michael Faraday 1821. aastal. Vabalt rippuv juhe oli kastetud elavhõbedaga täidetud vanni, mille keskel oli püsimagnet. Kui juhtmest voolu läbi lasti, hakkas juhe magneti ümber ringlema. Seda mootorit demonstreeritakse füüsikatundides, aga toksilise elavhõbeda asemel kasutatakse näiteks soolavett. See on lihtsaimat tüüpi mootor – homopolaarne mootor.

Terminid

Elektrimootori liikuvat osa kutsutakse rootoriks ja statsionaarset osa staatoriks. Magnetväljad tekivad magnetpoolustele. Need võivad olla väljapoolused, millele tekitatakse magnetväli elektriväli pooliga.

Vastavalt rootori nurgale lülitab kommutaator voolu erinevatesse rootorimähistesse.

Alalisvoolumootor on mootor, mis kasutab töötamiseks alalisvoolu, kuigi peaaegu alati on mootori sees mehhanism (näiteks kommutaator) alalisvoolu vahelduvvooluks muundamiseks. Vahelduvvoolumootor on mootor, mis töötab vahelduvvoolu kasutades, tihti välditakse niimoodi kommutaatori kasutamist. Sünkroonmootor on vahelduvvoolumootor, mille kiirus on sisendvoolu sageduse suhtes fikseeritud. Asünkroonmootor on vahelduvvoolumootor, mille kiirus langeb koormuse kasvades. Universaalmootorid võivad töötada nii alalisvoolu kui ka vahelduvvoolu kasutades, kuigi vahelduvvoolu maksimaalne sagedus võib olla piiratud.

Tööpõhimõte

On olemas vähemalt kolme toimimismehhanismiga elektrimootoreid: magnetilised, elektrostaatilised ja piesoelektrilised. Kõige levinum neist on magnetiline.

Magnetiline

Peaaegu kõik elektrimootorid põhinevad magnetismil. Neis mootorites loovad nii staator kui rootor magnetvälju. Nende magnetväljade erinevus tekitab jõudu, mis väljendub väändemomendina võllis. Üks või mõlemad magnetväljad peavad muutuma koos rootori keerlemisega. See saavutatakse pooluste sisse- ja väljalülitamise või tugevuste muutmisega.

Põhilised mootoritüübid on alalisvoolu- ja vahelduvvoolumootorid. Kõik mootorid vajavad magnetvälja ja rootori vahelist sünkroonitust.

Mootoritüüpide võrdlus

Tüüp	Eelised	Puudused	Tavalised rakendused	Kasutatav toide
Asünkroonmootor	Lihtne ehitus, suur kasutegur, väike hooldusvajadus	Väike käivitusmoment, keeruline juhtida,	Kõikjal. Levinuim elektrimootor	Mitmefaasiline vahelduvvool.
Universaalmootor	Suur väändemoment käivitushetkel, kompaktne, kiire	Hooldus (harjad) Lühike eluiga Tavaliselt lärmakas Ainult väiksed on ökonoomsed	Käeshoitavad elektritööriistad, nuimikserid, tolmuimejad	Alalisvool või ühefaasiline vahelduvvool
Sünkroonmootor	Sünkroonne kiirus	Kallis	Tööstuslikud mootorid Kellad Vinüülplaadimängijad Kassetimängijad	Ühe- või mitmefaasiline vahelduvvool
Samm-mootor	Täpne positsioneerimine Tugev hoidmisjõud	Võivad olla kallid Vajavad kontrollerit	Positsioneerimine printerites ja disketilugejates Tööstusmasinad	Alalisvool
Harjavaba alalisvoolumootor	Pikk eluiga Vähe hooldust Suur efektiivsus	Kõrge alghind Vajab kontrollerit	Kõvakettad CD-/DVD-mängijad Elektrisõidukid Puldiga juhitavad masinad Mehitamata õhusõidukid	Alalisvool või pulsilaiusmodulatsioon
Harjadega alalisvoolumootor	Lihtne kiiruse kontroll	Hooldus (harjad) Keskmine eluiga Kallis kommutaator ja harjad	Mänguasjad Jooksulindid Autode lisaseadmed	Alalisvool või pulsilaiusmodulatsioon

Alalisvoolumootor

Kahe poolusega ja püsimagnetiga staatoriga harjadega alalisvoolumootori siseehitus

 Pikemalt artiklis Alalisvoolumootor

Alalisvoolumootor on mootor, mis on disainitud kasutama alalisvoolu. Kaks näidet alalisvoolumootoritest, mis ei muuda voolu vahelduvvooluks, on homopolaarne mootor ja kuullaagermootor. Kõige levinumad alalisvoolumootorid on harjadega või harjavabad, mis kasutavad sisest või välist kommutatsiooni, et voolu mähistes rootori keerlemisega sünkroonis hoida.

Vahelduvvoolumootor

Vahelduvvoolumootorid on mootorid, mis kasutavad vahelduvvoolu. Nad ei vaja välist ega sisest kommutatsiooni, sest sisendpinge muutus tekitab vajaliku muutuva magnetvälja.

Samm-mootor

 Pikemalt artiklis Samm-mootor

Samm-mootorid on lähedalt seotud kolmefaasiliste sünkroonsete vahelduvvoolumootoritega, kus sisest püsimagnetitega rootorit kontrollitakse väliste elektrooniliselt lülitatavate magnetitega. Samm-mootorist võib mõelda ka kui alalisvoolumootori ja pöördliikuva solenoidi hübriidist. Mähiseid pingestatakse järgemööda ja rootor suunab ennast voolu tekitatud magnetvälja järgi. Erinevalt sünkroonmootoritest ei keerle samm-mootorid pidevalt, vaid "astuvad" – alustavad ja jäävad jälle kiirelt seisma – ühest positsioonist teise, vastavalt mähiste pingestusele. Olenevalt pulsside järjekorrast võib mootor keerelda ühte või teist pidi, muuta kiirust, jääda seisma, kiirendada või aeglustada suvalistel ajahetkedel.

Universaalmootor

Universaalmootor on mootor, mis on mõeldud kasutama vahelduv- ja alalisvoolu. Elektrivõrgu sagedustel (50 Hz või 60 Hz) töötavad universaalmootorid on harva võimsamad kui 1000 vatti. Näiteks võeti 20. sajandi alguses Saksamaa raudteedel võimsate universaal-kommutaatormootorite jaoks kasutusele ülimadalsageduslik vahelduvpinge sagedusega 16 ²/₃Hz. Universaalmootorite eeliseks on suur väändemoment käivitudes ja kiiretel kiirustel kompaktne suurus. Negatiivne pool on kommutaatori olemasolust tingitud hooldamise vajadus ja lühike eluiga. Selliseid mootoreid kasutatakse seadmetes, mida kasutatakse harva ja millel on vajadus suure väändemomendi järele, näiteks mikserid ja elektritööriistad.

Piesoelektrilised

 Pikemalt artiklis Piesoelektriline mootor

Piesoelektriline mootor ehk piesomootor on elektrimootori tüüp, mis põhineb piesoelektriliste materjalide kujumuutusel elektrivälja muutudes. Piesomootor kasutab piesoelektrilist pöördefekti, kus lineaar- või pöördliikumise saavutamiseks tekitab materjal akustilisi või ultraheli vibratsioone. Ühe võimaliku edasiliikumise viisina kasutatakse eri kiirusega pikenemist ja lühenemist ühes tasapinnas, et roomata edasi nagu röövik.

Kasutusviisid

Paljudes tänapäeval ehitatavates masinates kasutatakse standardiseeritud elektrimootoreid. Spetsiifilisemate ülesannete jaoks disainitakse ka spetsiaalseid mootoreid.

Pöörlevad

Pöörlevaid elektrimootoreid kasutatakse puhurites, turbiinides, puurmasinates, elektriauto ratastes, vedurites ja konveierlintides. Lisaks kasutatakse pöörlevaid mootoreid vibratsiooni ja võnkumise tekitamiseks. Mootori otsas on asümmeetriline raskus, mille keerlemine paneb nii mootori kui ka muud mootori külge kinnituvad struktuurid värisema. Sellist lahendust kasutatakse mobiiltelefonide vibratsiooni mootorites.

Elektrimootorid on ka populaarsed robootikas. Nad veavad rattaid sõitvates robotites ja tagasisidet kasutavad mootorid – servomootorid liigutavad tööstuslikke robotkäsi ja humanoidrobotite jäsemeid. Lendavates robotites ja helikopterites keerutavad elektrimootorid propellerit või rootorit.

Elektrimootorid asendavad lennukites ja sõjaväetehnikas hüdrosilindreid.

Tööstuses kasutatavad elektrimootorid keerutavad saekettaid ja linte lõikamisprotsessides ja keeravad freespinkides detaile. Kiired ja täpsed servomootorid positsioneerivad modernsetes arvutijuhitavates tööpinkides tööriistu ja tooteid. Toiduainetööstuses on levinud elektri jõul töötavad segistid. Lineaarmootoreid kasutatakse tihti toodete mahutitesse lükkamiseks.

Välislingid

• Maailma väikseim elektrimootor koosneb ühest molekulist, ERR, 5. september 2011