Elektrimasin

Elektrimasin on energiamuundur, millega muundatakse mehaanilist energiat elektrienergiaks (elektrigeneraator), elektrienergiat mehaaniliseks energiaks (elektrimootor) või elektrienergiat mehaanilise energia kaudu tagasi teistsuguste parameetritega elektrienergiaks (elektrimasinmuundur). Elektrimasinad töötavad elektromagnetilise induktsiooni nähtuse ja Lorentzi jõu põhimõttel.

Ajalugu

Elektrimasinate ajalugu algas 1831. aastal, kui Michael Faraday kirjeldas elektromagnetiline induktsiooni seadusi, mis võimaldasid elektrigeneraatori ja elektrimootori loomist. Esimese elektrigeneraatori valmistas 1932. a Pariisi peenmehaanik Hyppolite Pixii; see oli pöörleva püsimagnetiga käsitsi ringiaetav elektrimasin. Esimese elektrimootori valmistas 1984. a Moritz Hermann von Jacobi. 1838. aastal osutas Heinrich Lenz elektrimasinate pööratavuse põhimõttele (Lenzi printsiip): kõik elektrimasinad, sõltumata konstruktsioonist ja tööpõhimõttest, võivad töötada nii generaatorite kui ka mootoritena).

Üldine ehitus

Iga elektrimasina olulisimad osad on mähised, mille terassüdamik on magnetahela osa. Mähis koos südamikuga moodustavad elektromagneti. Masina pöörlevate mähistega osa nimetatakse rootoriks ja paigallseisvate mähistega osa staatoriks.

Elektrimasina tööpõhimõttest olenevalt võivad nii staator kui ka rootor olla kas induktoriks (magnetvälja tekitaja) või ankruks (ankrus indutseeritakse elektromotoorjõud).

Liigitus

Kui käsitada elektrimasinat kui masinat, s.o mehaanilist liikumist rakendavat seadet, siis on elektrimasinateks ainult elektrigeneraatorid ja elektrimootorid. Mõnes liigituses võetakse aluseks elektromagnetiline induktsioon, sel juhul loetakse elektrimasinate hulka ka jõutrafod.

Mehaanilise energia muundamise suuna järgi jagunevad elektrimasinad elektrigeneraatoriteks ja elektrimootoriteks:

elektrigeneraator muundab mehaanilist energiat (liikumisenergiat) elektrienergiaks;
elektrimootor muundab elektrienergiat mehaaniliseks energiaks, tavaliselt pöörleva liikumise energiaks.

Voolu liigi järgi on elektrimasinad alalisvoolumasinad ja vahelduvvoolumasinad. Ülekaalukalt levinumad on vahelduvvoolumasinad, eriti kolmefaasilised generaatorid ja mootorid. Need jagunevad omakorda sünkroonmasinateks ja asünkroonmasinateks.

Levinuima sünkroonmasinana on kasutusel kolmefaasiline generaator, mille staatoris indutseeritud vahelduvpinge sagedus on sünkroonne (langeb ajaliselt ühte) rootori pöörlemissagedusega.
Asünkroonmasinate seas on levinuimad kolmefaasilised lühisrootoriga mootorid, mille rootor pöörleb aeglasemalt staatori magnetvälja pöörlemissagedusest (seega asünkroonselt ehk mittesünkroonselt).

Peamiselt kodumasinates ja väikestes elektritööriistades on kasutusel kommutaatoriga elektrimasinad ‒ ühefaasilised jadaergutusmootorid.

Elektrimasinate üldine liigitus
Voolu liik	Asünkroonmasinad	Sünkronmasinad	Kommutaatormasinad	Kasutusalade näiteid
Alalisvool			Jadaergutusmootor, rööpergutusmootor, püsimagnetiga alalisvoolumasin	Tööriistad ja väikesed tööpingid
Vahelduvvool	Lõhispoolusmootor, kondensaatormootor, repulsioonsmootor	Reluktantsmootor	Jadaergutusmootor	Väikesed tööriistad, kodumasinad, olmeriistad, väikesed pumbad
Kolmefaasiline vahelduvvool	Asünkroonmootor (ühisrootoriga mootor), Lineaarmootor	Sünkroonmasin, Lõhispoolusmasin, Peitpoolusmasin		Tööstusseadmete ajamid, võimsad pumbad, tõste- ja teisaldusseadmed, turbogeneraatorid (elektrijaamas)

Vahelduvvoolugeneraatori ehituspõhimõte

Vahelduv- ja alalisvoolugeneraatori lihtsustatud ehitus

Vahelduvvoolugeneraatori ehitust saab lihtsustatult kirjeldada järgmiselt. Magnetahela pooluste N ja S vahele on paigaldatud pöörlev traadist raam, mis kujutab endast generaatori rootori mähist. Kui raam (mähis) pöörlema panna, indutseeritakse selles elektripinge. Selle juhtimiseks generaatori väljundklemmidele kasutatakse kollektorit, milleks on metallrõngad koos nende vastu surutud harjadega.

Alalisvoolugeneraatori ehituspõhimõte

Alalisvoolugeneraatori ehitus erineb vahelduvvoolugeneraatori omast selle poolest, et kollektori rõngaste asemel kasutatakse poolrõngakujulisi kollektori lamelle. Need lamellid ehk lestad koos harjadega moodustavad kommutaatori. Harjad on paigutatud nii, et üleminek ühelt lamellilt teisele toimub siis, kui generaatori klemmidel on nullpinge. See tagab minimaalse sädelemise harjade ja kollektori vahel.

Reaalses masinas on ühest raamist koosneva mähise asemel mitu pooli ja vastavalt ka kaks korda rohkem nende poolide otstega ühendatud lestasid. Kommutaatori lestad ühendatakse läbi kahe diagonaalselt asetseva harja kas tarvitiga (generaatori korral) või ankrumähise toiteallikaga (mootori korral). Harjad valmistatakse söest, grafiidist või vasest ja nad asuvad harjahoidjates, kus nad vedrudega surutakse vastu kommutaatorilesti. Harjahoidjad on kinnitatud kere või ikke külge.

Sünkroongeneraator (turbiini poolelt avatud, näha staatorimähiseid ja rootor)

Sünkroongeneraatorid

Sünkroongeneraatorid on kas pöörleva või liikumatu ankruga.

Pöörleva ankruga generaatoris tekitavad paigalseisva elektromagneti poolused rootori suhtes pöördmagnetvälja. Pöördmagnetväli põhjustab rootori mähistes pinge tekkimise. Seega ankruks on generaatori rootor. Allikapinge antakse kontaktrõngastele. Elektrutarvitid ühendatakse generaatoriga läbi harjade, mis paiknevad ja libisevad kontaktrõngastel.
Liikumatu ankruga (väljepoolustega, peitpoolustega) generaatori pöörlev rootor (püsi- või elektromagnet) tekitab staatori mähiste suhtes pöördmagnetvälja, mis indutseerib staatori mähistes pinge. Seega induktoriks on rootor ja ankruks staator. Kuna ankur on paigalseisev, siis tarviti ühendamiseks ei ole tarvis kasutada täiendavaid kontaktseadiseid.

Elektrijaamades toodavad elektrienergiat liikumatu ankruga kolmefaasilised sünkroongeneraatorid. Need generaatorid tekitavad kindla sagedusega (50 või 60 Hz) ja kõrge pingega (reeglina 6,0; 10,0 ja 15,7 kV) kolmefaasilist vahelduvvoolu.

Asünkroonmootori lühisrootor

Asünkroonmootorid

Pikemalt artiklis Asünkroonmootor

Asünkroonmasinaid kasutatakse peamiselt mootoritena. Asünkroonmootor on nüüdisaegsete elektrimootorite levinuim liik. Heade tehniliste ja majanduslike näitajate tõttu kasutatakse asünkroonmootoreid tööstuses ja majapidamises laialdaselt.

Kolmefaasilise lühisrootoriga asünkroonmootori staatorimähise südamik koosneb üksteisest isoleeritud elektrotehnilise terase lehtedest, mis on pressitud malmkeresse. Staatori silindrilisel sisepinnal olevatesse uuretesse on asetatud staatorimähis. Rootori teraslehtedest südamiku uuretesse on paigutatud alumiinium- või vaskvardad, mis mõlemast otsast on kokku ühendatud alumiinium- või vaskrõngaste abil. Vardad koos lühisrõngastega moodustavadki rootorimähise.

Tööpõhimõte on järgmine. Staatori pöörlev magnetväli indutseerib rootorimähises voolu, mis koostoimel staatori magnetväljaga paneb rootori pöörlema. Rootori pöörlemissagedus n₂ on alati väiksem staatori magnetvälja pöörlemissagedusest n₁:

n_{1}>n_{2}.

Rootori pöörlemissageduse mahajäämist staatori magnetvälja pöörlemissagedusest nimetatakse libistuseks ja väljendatakse kiiruste suhtena:

s={\frac {n_{1}-n_{2}}{n_{1}}}

× 100%

Kui rootor seisab, siis

n_{2}

= 0 ja

s=1

(100%).

Kui rootori pöörlemissagedus läheneb staatori pöördvälja sagedusele, siis $s$ läheneb nullile ( $n_{1}=n_{2}$ korral pöörleb rootor sünkroonselt; see režiim on võimalik ainult sünkroonmasinas).

Rootori pöörlemissagedus

n={\frac {60\times f}{p\times (1-s)}}

,

kus

n

on rootori pöörlemissagedus (p/min);

f

on vahelduvvoolu sagedus (Hz);

p

on pooluspaaride arv;

s

on libistus.

Rootori pöörlemissageduse reguleerimiseks on mitmeid võimalusi:

muuta sagedust (mida suurem on vahelduvvoolu sagedus, seda suurem on rootori pöörlemissagedus);
muuta pooluspaaride arvu (mida rohkem on pooluspaare sisse lülitatud, seda aeglasemalt pöörleb rootor); eeldab staatorimähise sektsioonide ümberlülitamist võimaldavat staatorit;
muuta libistust, on kasutatav faasirootoriga mootoritel – rootorimähisega jadamisi lülitatakse reguleerimisreostaat, mille takistus suurendab libistust, vähendades pöörlemissagedust.

Mootori pöörlemissuuna muutmine

Asünkroonmootori pöördmagnetvälja ja järelikult ka rootori pöörlemissuund sõltub faaside järjestusest. Seega mootori reverseerimiseks (mootori pöörlemissuuna muutmine) tuleb omavahel vahetada kaks toitejuhet.