Elmotorer, teknik och funktion

En elmotor är en roterande maskin som omvandlar elektrisk energi till kinetisk energi. De flesta elmotorer är av så kallad roterande typ och består av en stillastående del (statorn) och en roterande del (rotorn), se figur 1. Rotorns och statorns uppbyggnad ser olika ut beroende på vilken typ av elektrisk maskin som används, exempelvis asynkron-, synkron- eller likströmsmaskin. 

När elströmmen tillförs statorn bildas ett magnetiskt kraftfält. Detta kraftfält påverkar rotorns lindningar, vilket gör att det bildas ett magnetiskt kraftfält även i rotorn. Kraftfälten samverkar så att rotorn och den motoraxel som är ansluten till rotorn börjar snurra. Till sin grundfunktion var elmotorn färdigutvecklad redan för hundra år sedan. Då var elmotorn en del av den industriella revolutionen. Elmotorer finns idag överallt i industrin och är trogna arbetshästar vilka gör sitt jobb. Rätt skötta är de i det närmaste outslitliga.
 

I figur 1 visas den principiella uppbyggnaden av en elmotor och det magnetiska flödet. I både statorn och rotorn ingår kärnor av järn som gemensamt bildar en magnetisk krets. De strömmar som finns i statorns respektive rotorns lindningar genererar ett flöde i den magnetiska kretsen. Flödet passerar i radiell riktning genom det luftgap som finns mellan statorn och rotorn.

Lindningarna runt statorn respektive rotorn är isolerade trådar, band eller stavar som är gjorda av koppar eller aluminium. Dessa kan vara placerade i löpande spår i kärnan eller bestå av spolar som är lindade runt så kallade poler.

Förutom de komponenter som nämnts ovan ingår ett antal mekaniska konstruktionsdetaljer i en elmotor exempelvis axel, lager, kåpor och så vidare.

 

Elmotorvarianter

Asynkronmotor

Den elmotor som dominerar inom industriellt bruk är asynkronmotorn i trefasigt kortslutet utförande. Asynkronmotorn består liksom alla elmotorer av en stator och en rotor. Rotorns beståndsdelar är en rotorkropp och en axel.

I rotorkroppen är tunna plåtar sammangjutna med aluminium där aluminiumets uppgift till viss del är att kortsluta rotorn. Statorn utgörs av ett så kallat paket med plåtar och på detta pakets insida finns ett antal spår. Spåren innehåller lindad, isolerad koppartråd och beroende på lindningens respektive kopplingens utseende erhåller motorn olika poltal vilket kan likställas med varvtal.

Statorns huvudsakliga uppgift är att ge upphov till det magnetfält som medför att rotorn roterar. Asynkronmotorer finns som enhastighets- respektive flerhastighetsmotorer med ett antal olika utförande med avseende på polantalet.
 

Likströmsmotor

Den vanligaste typen av elektrisk motor är på grund av dess enkla uppbyggnad likströmsmotorn. I likströmsmotorn genereras rörelseenergi genom att motorn förses med likriktad elektrisk energi, exempelvis ett vanligt 9V-batteri. Elektriska leksaker exempelvis radiostyrda bilar drivs vanligtvis med likströmsmotorer.

En likströmsmotor består av en rotor och en stator med respektive komponenter. Rotorn roterar i ett magnetfält som alstrats från en likströmsmatad magnetlindning i statorkärnans poler. Den så kallade polplattan har till uppgift att bredda ut det magnetiska flödet över rotorytan.

Rotorlindningen i en likströmsmotor anses ofta var komplicerad i sin uppbyggnad. Den består av ett antal spolar, så kallade härvor. Härvorna är anslutna till ett kopplingsorgan, kommutator, som i sin tur består av ett antal metallameller. Metallamellerna är anslutna till ett uttag i rotorlindningen som i sin tur ansluts till yttre kretsar via de borstar som släpar mot kommutatorns yta.
 

Synkronmotor

Synkronmotorer har kommit att bli allt mer betydande inom industrin tack vare dess många fördelar. Den används vanligen där effektbehovet är stort men även mindre maskiner har kommit att få en ökad betydelse.

Synkronmotorns beståndsdelar är liksom för all slags elmotorer en rotor och en stator. Statorn spår är försedda med lindningar som sitter fasförskjutna i förhållande till varandra. För att starta motorn krävs att den magnetiseras via ett magnetfält som skapas i lindningarna med det synkrona varvtalet.

Synkronmotorn kan delas in i två undergrupper beroende på hur rotorn är magnetiserad. Dessa två benämns vanligtvis elektriskt magnetiserade och permanentmagnetiserade där den sistnämnda är mera vanlig.
 

Tvåhastighetsmotorer

En elmotors varvtal kan på ett grovt tillvägagångssätt anpassas till aktuella förhållanden genom att en motor med omkopplingsmöjlighet mellan två olika drivhastigheter används. Ett annat namn för detta är polomkoppling och ett antal olika varvtalsförhållanden finns för denna typ av motor.

Den investering som krävs för inköp av en tvåhastighetsmotor i jämförelse med en enhastighetsmotor är något större men på grund av den minskade elförbrukning som detta innebär betalas investeringen tillbaks inom ett år. Verkningsgraden för en tvåhastighetsmotor är något lägre än för en enhastighetsmotor.
 

Växelströmsmotor

En växelströmsmotor drivs i det flesta fall med trefas sinusformad växelström men ett antal konstruktioner matas istället med enfasig växelström. Växelströmsmotorer delas vanligtvis in i synkronmotorer och asynkronmotorer. Den mest förekommande växelströmsdrivna motorn är asynkronmotorn och då i trefasigt kortslutet utförande. Ett stort användningsområde för växelströmsmotorer är vid drift av elektriska handverktyg, dammsugare och andra typer av hushållsapparater.

Enfasiga växelströmsmotorer har förhållandevis lågt startmoment och låg strömförbrukning men kräver viss assistans vid start. Den enklaste typen av en enfasig växelströmsmotor liknar i stora drag utformningen på en likströmsmotor.

En motor av detta slag kan även drivas från ett uttag med trefasig växelström men då krävs en kompletterande kontakt som medför att enbart två av de tre spänningsbärande ledarna används. Belastningen på nätet blir något ojämn vid denna typ av drift.

Trefasiga växelströmsmotorer bör anses vara en näst intill ideal typ av motor. Fördelarna är att den har en hög effekt i förhållande till förbrukad mängd el, har en jämnare gång än enfasmotorn samt kräver ingen assistans vid start. En motor av denna typ kan drivas med enfasig växelström vilket är en fördel då endast enfasig ström finns tillgänglig. Driften för elmotorn blir troligtvis inte lika jämn i det fallet. Exempel på växelströmsmotorer är ABB:s HP processmotor.
 

Viktiga parametrar

• Motoreffekt: Motorns avgivna mekaniska effekt i kW vid märkström.

• Fabrikat: Tillverkarens namn, motortyp, produktkod, typ- och produktbeteckningar som anges i kataloger och som beställaren kan referera till vid förfrågan.

• Varvtal: Antal varv per minut vid 50 Hz.

• Verkningsgrad vid 1/1 respektive 3/4 last: Uppgifter om verkningsgraden vid dellaster ned till ¼ kan i regel erhållas av leverantören.

• Effektfaktor (cos φ) vid 1/1 och 3/4 last.

• Ström In: Motorns märkström i ampere.

• Relativ startström Is/In: Hänsyn måste ofta tas till vad nätet tillåter i fråga om startström.

• Moment Tn: Motorns märkmoment i Nm.

• Relativt startmoment Ts/Tn.

• Relativt maxmoment Tmax/Tn: Maxmomentet är ett mått på motorns överbelastningsförmåga.

• Vikt: Stora skillnader med avseende på motorns vikt, vid samma motoreffekt, beror i regel på materialvalet (aluminium eller gjutjärn).

Mer om elmotorer på energimyndighetens webbplats