Oikosulkumoottori

Oikosulkumoottori on teollisuudessa yleisin käytetty vaihtovirtasähkömoottorityyppi. Sen periaatteen keksi vuonna 1888 serbialais-yhdysvaltalainen insinööri Nikola Tesla.

Tyypillinen oikosulkumoottori purettuna kahteen osaan: etualalla roottori, ja takana lieriömäinen valurautakotelo, jonka sisällä kiinteä seisojakäämitys eli staattori.

Tyypillinen oikosulkumoottori

Rakenne

Moottori muodostuu kiinteästä kotelosta, jossa ovat staattorikäämit, ja näiden sisäpuolella pyörivästä roottorista. Oikosulkumoottori toimii vain vaihtovirralla. Nimitys oikosulkumoottori tulee siitä, että roottorin navat ovat oikosuljettuja keskenään. Vaihtovirta kytketään staattoriin siten, että muodostuu roottorin ympärillä pyörivä magneettikenttä. Roottoriin indusoituu oikosulkuvirta vastustamaan pyörivää kenttää, toisin sanoen staattorin kenttä vääntää roottoria.

Koska roottorin magnetointivirta otetaan pyörimisliikkeestä, niin tämä pieni energiahäviö aiheuttaa jättämää vaihtovirran synnyttämään magneettikentän pyörimisnopeuteen. Tämän vuoksi oikosulkumoottoria kutsutaan myös epätahtimoottoriksi verrattuna muihin vaihtovirtamoottoreihin.

Toimintaperiaate

Pääartikkeli: Häkkikäämitty roottori

Vaihtovirralla syötetty staattorikäämitys luo koneen ilmaväliin pyörivän magneettivuon, joka leikkaa roottorin oikosuljetun häkkikäämityksen sauvoja. Tämän seurauksena roottorisauvoihin indusoituu virtaa, joka magnetoi roottorin. Magnetoitunut roottori pyrkii seuraamaan staattorin pyörivää magneettivuota, ja tämä aikaansaa roottorin vääntömomentin.

Kolmivaiheisen oikosulkumoottorin yksinkertaistettu kaaviokuva. Pyörivä kehä on roottori, jossa näkyvät häkkikäämin johteet ja niiden päissä olevat oikosulkurenkaat. Roottoria ympäröi kolmiosainen staattorikäämi.

Oikosulkuroottorin jättämää kuvaava animaatio: kolmivärisen (jokainen väri vastaa kolmivaihevirran yhtä vaihetta) staattorin ympärillä pyörivät vaihtovirran tahdissa magneettivuoviivat, ja keskellä pyörivän roottorin punaiset pisteet ovat häkkikäämin päitä (haaleanpunainen rengas on oikosulkurengas) joista näkyy jättämä suhteessa vuoviivoihin.

Tahtinopeus

Staattorikäämityksen muodostaman magneettikentän pyörimisnopeus on

$n_{s}={{f} \over {p}}$ (kierrosta / sekunti),

tai kierroksina minuutissa

$n_{s}={60\times {f} \over {p}}$ (RPM),

missä f on moottoria syöttävän verkon taajuus ja p on magneettisten napaparien lukumäärä. Napaparien lukumäärä on puolet magneettisten napojen lukumäärästä.

Jättämä

Suhteellinen jättämä s voidaan laskea yhtälöstä

$s={\frac {n_{s}-n_{r}}{n_{s}}}\,$

missä $n_{s}$ on staattorivuon sähköinen nopeus ja $n_{r}$ on roottorin mekaaninen pyörimisnopeus.

Pyörimisnopeus

Roottorin (moottorin akselin) pyörimisnopeus voidaan laskea, kun tiedetään suhteellinen jättämä:

$n_{r}={n_{s}}(1-s)$

Oikosulkumoottorin toiminta on yksinkertaisesti ymmärrettävissä niin, että vaihtosähkön taajuudella staattorin navoissa magneettikenttä siirtyy napaparin kerrallaan eteenpäin. Samalla staattorin magneettikenttä indusoi roottorin häkkikäämitykseen sähkövirran. Sähkövirran muodostamat magneettiset navat pyrkivät seuraamaan staattorin magneettikentän kiertymistä, jolloin moottori alkaa pyöriä. Suomessa käytössä olevalla vaihtosähkön taajuudella 1 napaparin (2 napaa) oikosulkumoottori pyörii tyypillisesti 3 000 kierrosta minuutissa (50 kierrosta sekunnissa) tai napaparien määrää lisäämällä hitaammin, esimerkiksi kahdella napaparilla (4 napaa) 1 500 tai neljällä napaparilla (8 napaa) 750 kierrosta minuutissa. Käytännössä moottorin pyörimisnopeutta kuitenkin hidastaa jättämä.

Teknisemmin kuvattuna oikosulkumoottori toimii siten, että staattorikäämeissä kulkeva sähkövirta synnyttää staattoriin pyörivän magneettikentän, kiertokentän. Oikosulkuroottorissa on käämitys, jonka sauvoja pyörivän staattorikentän vuoviivat leikkaavat. Kun roottorin käämitykseen kytketään kuormitus, roottorin häkkikäämitykseen muodostuu sähkövirta. Roottorin virran aiheuttaman magneettikentän ja staattorin välille syntyy voimavaikutus, joka pyrkii saamaan roottorin pyörimään. Jos syntyvä vääntömomentti on suurempi kuin pyörimistä vastustavan kuorman mekaaninen vääntömomentti, roottori alkaa pyöriä. Kun roottorin pyörimisnopeus kasvaa, staattorikentän ja roottorin sauvojen leikkausnopeus pienenee, jolloin myös roottorin sähköinen vääntömomentti pienenee.

Roottorin pyörimisnopeus on aina staattorin magneettikentän pyörimisnopeutta pienempi. Jos roottori saavuttaisi magneettikentän pyörimisnopeuden, ei roottoriin syntyisi lainkaan sähkömotorista voimaa eikä vääntömomenttia, koska magneettikenttä pysyisi roottorin suhteen paikallaan, eikä vuoleikkausta tapahtuisi.

Hyöty- ja haittapuolet

Parhaita puolia ovat

• helppokäyttöisyys
• huollon tarpeen vähäisyys
• taloudellinen kilpailukyky
• rakenteen yksinkertaisuus ja kestävyys.

Haittapuolia ovat

• suuri käynnistysvirta (sulakkeen palamisvaara moottoria käynnistettäessä)
• pieni käynnistysvääntömomentti
• roottorin heikko voitelu kylmäkäynnistyksessä
• roottoriin kohdistuvan sähkömagneettisen kentän aiheuttama tehon heikentyminen.

Lähes kaikki haittapuolet ovat vältettävissä käyttämällä taajuusmuuttajaa tai tähti-kolmiokäynnistintä.

Katso myös

• Sähkömoottori
• Vaihtosähkömoottori
• Massiiviroottorikone
• Kolmivaihevirta
• Tähti-kolmiomuunnos
• Jäähdytystavan IC-luokitus

Lähteet

• Haring, Tapio: Oikosulkumoottorin hyötysuhde määrää käyttökustannukset. Konepajamies, 1989, 42. vsk, nro 6, s. 24–26. ISSN 0023-3277.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Oikosulkumoottori Wikimedia Commonsissa