Ηλεκτρικός κινητήρας

Ο ηλεκτρικός κινητήρας ή ηλεκτροκινητήρας, (motor, κοινώς μοτέρ), είναι το κυριότερο είδος ηλεκτρικής μηχανής - διάταξη που χρησιμοποιείται για την μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια. Η αρχή λειτουργίας των περισσότερων ηλεκτροκινητήρων βασίζεται στην αλληλεπίδραση ανάμεσα σε δυο φορείς ηλεκτρομαγνητικών πεδίων που έχουν την τάση να προσανατολίζονται μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης είναι η δημιουργία δύναμης και στην συνέχεια ροπής πάνω στον άξονα του ηλεκτροκινητήρα. Διαφορετικά είδη ηλεκτροκινητήρων μπορούν να λειτουργήσουν τόσο με την παροχή συνεχούς ρεύματος, π.χ. από μια μπαταρία ή με χρήσης ανορθωτών στο κύκλωμα, όσο και με εναλλασσόμενο ρεύμα, π.χ. από το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας ή με χρήση αντιστροφέα ή ακόμα και από ηλεκτρική γεννήτρια. Γνωρίζοντας ότι μια ηλεκτρική μηχανή μπορεί να εργαστεί και ως κινητήρας και ως γεννήτρια, εφόσον οι λοιπές συνθήκες λειτουργίας το επιτρέπουν, μπορούμε να πούμε ότι ή μόνη τους διαφορά είναι το γεγονός ότι λειτουργούν με την ακριβώς αντίθετη ροή ηλεκτρομηχανικής ενέργειας. Επομένως κατά την λειτουργία κινητήρα η ηλεκτρική μηχανή απορροφά ηλεκτρική ενέργεια και παράγει μηχανικό έργο που συνήθως είναι περιστροφική κίνηση φορτίων (αντλιών, συμπιεστών, ανυψωτικών μηχανημάτων, ελίκων κ.λ.π). Είναι άξια θαυμασμού η εκμετάλλευση των ηλεκτροκινητήρων σε όλα τα φάσματα της βιομηχανίας και με όλες τις μορφές εμφάνισής τους.

Σε ορισμένες χρήσεις, όπως στο αναγεννητικό φρενάρισμα σε οχήματα όπως τρένα (σιδηροδρομικά οχήματα), οι ηλεκτροκινητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σαν γεννήτριες επί τόπου για την αποθήκευση θερμικής ενέργειας που θα χανόταν στο περιβάλλον. Αυτή η λειτουργία εμφανίζεται κατά κόρων στη Φόρμουλα 1 αλλά και γενικά στην αυτοκινητοβιομηχανία.

Σε μια ευθεία σύγκριση με μηχανές εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ), οι ηλεκτροκινητήρες είναι ελαφρύτεροι, μικρότεροι σε μέγεθος, αποδοτικότεροι στην ισχύ που παράγουν και στις απώλειες θερμότητας που παράγουν, απλούστεροι στην μηχανολογική τους κατασκευή και φτηνότεροι. Ακόμη ένα χαρακτηριστικό στοιχείο του προφίλ λειτουργίας ενός ηλεκτροκινητήρα είναι η σχεδόν ακαριαία παροχή ροπής στον άξονα και για όλο το εύρος στροφών που σε ορισμένες περιπτώσεις αγγίζει και τα εκατοστά του δευτερολέπτου μετά την εκκίνηση. Το μεγάλο μειονέκτημα σε σχέση με μια μηχανή εσωτερικής καύσης ειναι η εξάρτηση του ηλεκτροκινητήρα από μια πηγή παροχής ηλεκτρικού ρεύματος και αυτός ειναι και ο λόγος της περιορισμένης εφαρμογής τους στην αυτοκινητοβιομηχανία, πράγμα που φυσικά όλα δείχνουν ότι θα αλλάξει λόγω της εκπληκτικής προόδου στην έρευνα της τεχνολογίας μπαταριών που έχει σημειωθεί τα τελευταία πέντε χρόνια.

Αρχή λειτουργίας

Η αρχή λειτουργίας του ηλεκτρικού κινητήρα είναι η δύναμη Laplace. Όταν ένας αγωγός από τον οποίο διαρρέει ηλεκτρικό ρεύμα βρεθεί μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο ασκείται πάνω του δύναμη ίση με:

$\mathbf {F} =I\lambda B\sin \phi$

Όπου:

• $I$ = Ένταση Ρεύματος
• $\lambda$ = Μήκος Αγωγού
• $B$ = Ένταση Μαγνητικού πεδίου
• $\phi$ = η γωνία που σχηματίζει ο αγωγός με τη διεύθυνση των δυναμικών γραμμών $(B)$

Ηλεκτρογεννήτρια - Ηλεκτροκινητήρας

Σε έναν ηλεκτρικό κινητήρα συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος συνυπάρχουν τα φαινόμενα του κινητήρα και της γεννήτριας αφού ουσιαστικά είναι η ίδια μηχανή αλλά με διαφορετική ροή ενέργειας (Μηχανική ενέργεια -> Ηλεκτρική ενέργεια). Συγκεκριμένα η μόνη διαφορά είναι ότι οι ψήκτρες εις μεν την ηλεκτρογεννήτρια αποτελούν τους ρευματοδότες, ενώ στον ηλεκτροκινητήρα τους ρευματολήπτες.

Έτσι καθώς ένας κινητήρας αυξάνει τις στροφές λειτουργίας του, δημιουργείται στον αγωγό μία ηλεκτρεγερτική δύναμη η οποία αντιτίθεται στην ηλεκτρεγερτική δύναμη που τροφοδοτεί τον αγωγό.

Δηλαδή ο κινητήρας λειτουργεί και σαν γεννήτρια που τροφοδοτεί αντίθετα τον αγωγό, μειώνοντας το ρεύμα που τον διαρρέει.

Η τάση που παράγεται από το φαινόμενο αυτό ισούται με:

$e=uB\lambda$

Όπου:

• $u$ = Ταχύτητα αγωγού
• $B$ = Ένταση Μαγνητικού πεδίου
• $\lambda$ = Μήκος Αγωγού

Κατασκευαστική Δομή Ηλεκτροκινητήρα

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες αποτελούνται από:

• Τον Δρομέα (παλιότερα ρότορα)

Ο Δρομέας αποτελείται από τον ηλεκτροφόρο αγωγό ο οποίος είναι τοποθετημένος σε πυκνές περιελίξεις (σπείρες) ώστε να περιέχει όσο μεγαλύτερο μήκος αγωγού γίνεται για δεδομένο όγκο.

• Τον Στάτη (παλιότερα στάτορα)

Ο Στάτης αποτελείται από μόνιμους ή τεχνητούς μαγνήτες οι οποίοι δημιουργούν το μαγνητικό πεδίο.

• Τις Ψήκτρες

Οι Ψήκτρες έρχονται σε επαφή με τον δρομέα τροφοδοτώντας τον με ρεύμα.

• Το Διάκενο

Το Διάκενο είναι ο χώρος αέρα μεταξύ στάτη και δρομέα.

Είδη

Οι ηλεκτροκινητήρες διακρίνονται σε "συνεχούς ρεύματος" (DC motors) και σε "εναλλασσόμενου ρεύματος" (AC motors).

Οι ηλεκτροκινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος διακρίνονται επιμέρους στους "ασύγχρονους" ή "επαγωγικούς κινητήρες" και στους "σύγχρονους κινητήρες". Σύγχρονοι κινητήρες είναι οι κινητήρες στους οποίους η μέση ταχύτητα περιστροφής είναι ευθέως ανάλογη της συχνότητας της εφαρμοζόμενης εναλλασσόμενης τάσης. Καθώς και μονοφασικούς ή τριφασικούς.

Στοιχεία ηλεκτροκινητήρων

Τα απαραίτητα στοιχεία για κάθε ηλεκτροκινητήρα τα οποία και προσδιορίζουν αυτόν εμπορικά είναι:

1. Η απαιτούμενη τάση για την τροφοδοσία του σε βολτ (V), (δείτε σημειώσεις).
2. Το είδος της απαιτούμενης τάσης, συνεχές ή εναλλασσόμενο ρεύμα (DC ή AC) και στη 2η περίπτωση, μονοφασικό (1PH) ή τριφασικό (3PH). (ΡΗ = φάση, εκ του phase).
3. Η συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος, εφόσον πρόκειται για ηλεκτροκινητήρα AC και προφανώς σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο κ/δ (c/s) ή Χερτζ (Hertz). Πολλές φορές χρησιμοποιείται το σύμβολο ~ αντί του κ/δ.
4. Η ισχύς του κινητήρα σε Βατ ή ίππους (W ή HP)
5. Η ένταση του ρεύματος σε αμπέρ που διαρρέει τον κινητήρα, και
6. Η αποκτώμενη ταχύτητα περιστροφής του άξονα του κινητήρα σε στροφές ανά λεπτό (rpm ή RPM).

Όλα τα παραπάνω στοιχεία φέρονται χαραγμένα, από τους κατασκευαστές, σε ειδική ενσωματωμένη στον ηλεκτροκινητήρα πινακίδα, καθώς και ο αριθμός της έγκρισης του Υπουργείου Βιομηχανίας για εμπορική διάθεση ή άλλα σύμβολα πιστοποίησης ασφαλούς λειτουργίας.

Χρήση

Η χρήση των ηλεκτροκινητήρων σήμερα είναι ευρύτατα διαδεδομένη από τα μαγνητόφωνα και τα ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς, τρόλεϊ, ηλεκτρικοί σιδηρόδρομοι κ.λ.π. μέχρι τα υποβρύχια. Οι δε χρησιμοποιούμενοι στις βιομηχανίες είναι εκατοντάδων ίππων.

Σημειώσεις

Οι ακόλουθες 7 σημειώσεις αφορούν γενικά όλους τους τύπους των ηλεκτροκινητήρων οι βασικές γνώσεις των οποίων κρίνονται απαραίτητες:

1. Το αντιστρεπτό της χρήσης των ηλεκτροκινητήρων τονίζεται ότι ισχύει μόνο σε μηχανές συνεχούς ρεύματος. Οι κινητήρες AC (εναλλασσόμενου ρεύματος) δεν μοιάζουν απόλυτα προς τις γεννήτριες και ουδέποτε είναι δυνατή η αντιστροφή παραγωγής έργου κατά την χρήση τους.
2. Οι κινητήρες AC, ανεξάρτητα αν είναι μονοφασικοί ή τριφασικοί είναι κατασκευαστικά πολύ απλούστεροι επειδή ακριβώς είναι απαλλαγμένοι από τον συλλέκτη, δεν χρήζουν ιδιαίτερης φροντίδας συντήρησης με συνέπεια να πλεονεκτούν των κινητήρων συνεχούς.
3. Το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει τον κινητήρα κατά την εκκίνησή του είναι κατά 1,5 φορά μεγαλύτερο του αναφερόμενου στην ενδεικτική πινακίδα. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται χειροκίνητοι ή αυτόματοι εκκινητές (starters) ή αλλιώς μίζες οχημάτων (φορτηγού, αυτοκινήτου, μοτοσυκλέτας, νταλίκας, τρένου, αεροπλάνου, πλοίου) όπου υπάρχει κινητήρας εσωτερικής καύσης σε όλα τα οχήματα & οχήματα βαρέως τύπου, υπάρχουν και οι μίζες ή διακόπτες μείωσης ρεύματος.
4. Η ταχύτητα περιστροφής των κινητήρων DC μπορεί να ρυθμιστεί διά της μεταβολής της έντασης του μαγνητικού πεδίου του επαγωγέα με κατάλληλο ροοστάτη που φέρεται εν σειρά, ενώ στους συνήθεις κινητήρες AC η ταχύτητα περιστροφής δεν ρυθμίζεται αφού εξαρτάται από τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος.
5. Όσο αυξάνει το προς τον άξονα του κινητήρα συνδεόμενο μηχανικό φορτίο, τόσο και το ρεύμα που τον διαρρέει (δηλαδή το ρεύμα που τραβάει ο κινητήρας) αυξάνει. Αν μάλιστα αυτό αυξηθεί πέραν των κατασκευαστικών ορίων το βέβαιο είναι ότι θα καεί η ασφάλεια που προστατεύει τον κινητήρα, αν όμως παραβιαστεί και το όριο ασφαλείας τότε θα καούν οι περιελίξεις, με συνέπεια την αχρήστευση του κινητήρα.
6. Εκτός του περιοδικού ελέγχου και καθαρισμού του συλλέκτη και των ψηκτρών (ή των δακτυλίων εφόσον φέρoνται), απαιτείται και η λίπανση των σφαιροτριβέων (ρουλεμάν) ή των κουζινέτων με τους προβλεπόμενους γρασαδόρους.
7. Όπως όλες οι μηχανές, και οι ηλεκτροκινητήρες έχουν ανάγκη σωστού αερισμού.