Moottorit

Tasavirtamoottorit toimivat periaatteessa seuraavasti. Siinä käämin läpi kulkeva virta tekee käämistä sähkömagneetin. Käämin toinen puoli varautuu negatiivisesti ja toinen positiivisesti. Sähkömagneetin ja kestomagneetin väliset magneettikentät vaikuttavat toisiinsa, jolloin käämi pyrkii liikkumaan mahdollisimman hyvään asentoon suhteessa kestomagneetin magneettikenttään. Esim. käämin positiivisesti varautunut puolisko vetää kestomagneetin negatiivista puoliskoa puoleensa ja hylkii positiivista. Tämä saa käämin pyörimään. Seuraavassa kuvassa käämin vääntövoima on nolla. Maksimaalinen vääntövoima saavutetaan käämin ollessa 90 asteen kulmassa kuvan tilanteeseen nähden. Eli käämin pyöriessä magneettikentässä vääntövoima muuttuu sinikäyrän mukaisesti.

      Yksinkertaistettu kaaviokuva sähkömoottorista

On helppoa huomata, että käämejä kannattaisi olla useampia vääntövoiman tasoittamiseksi. Harjallisen tasavirtamoottorin (perinteinen) tapauksessa tämä menee seuraavasti. Kollektorin tehtävänä on moottorissa on magnetisoida aina yksi käämi kerrallaan, jolloin vaikuttavat voimat ja myös pyörimissuunta saadaan pidetty samana. Eli, kun sähkömagneettina toimivan käämi tulee kestomagneetin vetovoiman vaikutuksesta kestomagneettia kohti, kollektori katkaiseekin virran. Samalla hetkellä kollektori magnetisoi seuraavan käämin, joka taas lähestyy kestomagneetin vetovoiman vaikutuksesta kestomagneettia, kunnes virta jälleen katkeaa. Kollektori on siis jaettu siten, että jokainen käämi on kytketty kahden kollektorin sektorin väliin. Kun hiilet nojaavat kollektoriin, sen pyöriessä virta kulkee hiilien ja edelle mainittujen kollektorin sektorien kautta yhden käämin kautta kerrallaan magnetisoiden sen. Sektoreita ja käämejä lisäämällä saadaan vääntövoimaa tasoitettua melkoisen helposti.

Harjattoman moottorin tapauksessa ei tällaistä mekaanista kosketusta ole. Moottori on siis käytännössä käännetty toisinpäin. Eli moottorissa on kestomagneetti laitettu pyöriin ja käämit ovat paikoillaan, jolloin käämit voivat olla ihan kiinteästi kiinni nopeudensäätimessä ilman hiiliharjoja. Tämän takia harjaton moottori on erittäin huoltovapaa. Ainoa harvoin huoltoa tarvitseva kohde on moottorin päätylaakerit. Eli harjattomalla moottorilla voidaan ajaa helposti satojakin akullisia ilman huoltoa. Harjallinen moottori puolestaan vaatii huoltoa jopa muutamien akullisten välein. Tässä on siis melkoinen ero. Lisäksi harjattomat moottorit ovat hyötysuhteeltaan erinomaisia harjallisiin moottoreihin verrattuna, koska harjattomassa moottorissa ainoa kitka on kuulalaakereissa. Tästä seuraa se, että moottorin teho ja ajoaika kasvaa huomattavasti. Hyötysuhteesta on myöskin se etu, että moottori lämpenee huomattavasti vähemmän, ja lämpö on yleensä helpommin siirrettävissä moottorista ulos kannussa olevan käämityksen takia.

Harjattomassa moottorissa ei siis ole kollektoria, joka tekisi vuorollaan kustakin käämistä jännitteellisin. Tämän takia käämin suhde kestomagneettiin (vaihe) on tunnistettava elektronisesti, jotta kuhunkin käämiin pystytään kytkemään virta juuri oikeassa vaiheessa. Kytkeminen tapahtuu transistorikytkimien avulla, joita ohjataan saadun vaihetiedon avulla. Se miten kyseinen vaihetieto saadaan, riippuu moottorin tyypistä. Harjattomat moottorit voidaan käytännössä jakaa kahteen eri päätyyppiin - sensorilleiseen ja sensorittomaan moottoriin.

Sensorillisessa moottorissa, kyseinen sensori on yleensä Hall-anturi. Hall-anturi perustuu siihen, että virrallisen johteen ollessa kohtisuorassa magneettikentässä elektronien kulkurata muuttuu. Toisin sanoen, jos johtimeen tuodaan jännite ja kohtisuoraan siihen magneettikenttä, syntyy virran suunnalle ja magneettikentälle kohtisuoraan jännite, Hall-jännite. Hall-anturit ovat hyvin nopeita ja niillä voidaan havaita jopa 100 000 pulssia/s. Tämän takia ne soveltuvatkin erinomaisesti harjattoman sähkömoottorin vaiheen havaitsemiseen. Käytännössä vaihe havaitaan siten, että akselille on kiinnitetty levy, jossa on tasaisesti reikiä tai koloja. Näiden kolojen tai reikien kohdalla syntyy mainittu Hall-jännite.

Sensorittomassa moottorissa vaiheen tunnistus perustuu moottorin generaattorivaikutukseen. Harjatonta sähkömoottoriahan ajetaan aina kahden vaihejohdon kautta kerrallaan, jolloin vapaana olevaan vaihejohtoon syntyy tämä generaattorivaikutuksen johdosta jännite. Tämä jännite on huipussaan kun magneettikentän muutosnopeus on huipussaan. Tämä puolestaan tapahtuu magneetin ohittaessa kyseisen vaihejohdon kohdalla olevan käämin. Tätä jännitteen vaihtelua voidaan seurata melkoisen tarkasti, jolloin vaihe on myöskin tiedossa. Tämän tavan heikko puoli on se, ettei vaihetietoa ole saatavilla moottorin ollessa pysähdyksissä. Eli lähdettäessä pyörittään moottoria, nopeudensäätimen on arvattava moottorin vaihe. Tästä johtuu se, että varsinkin vanhemmat nopeudensäätimet saattoi aluksi lähteä pyörittään moottoria hetkellisesti jopa väärään suuntaan. Vaikka nämä seuranta-algoritmit ovat kehittyneet melkoisesti, ei sensorittomalla moottorilla päästä lähelle sensorillisen moottorin tarkkuutta varsinkaan pienillä moottorin kierroksilla.

Toki sensorittomassa rakenteessakin on omat etunsa. Moottorin rakenne on yksinkertaisempi, hinta on edullisempi, moottorista tulee ulos vähemmän johtoja ja mahdollisia vikakohteita on vähemmän. Lisäksi sensorittomat moottorit ovat yleensä suoraan vaihdettavissa jopa eri valmistajan moottoriin. Sensorillisten moottorien rakenteet eivät puolestaan ole eri valmistajien välillä, ainakaan tällä hetkellä, välttämättä samanlaisia. Eli sensorillista moottoria ei välttämättä voi vaihtaa toisen valmistajan moottoriin ilman, että vaihtaisi nopeudensäätimen samalla. Toisaalta ROAR-säännön (sivu 42, kohta 8.7.5) täyttävät moottorit ja säätimet (LRP, Novak, Nosram) ovat keskenään vaihdettavissa.

Harjattomankin moottorin tapauksessa olisi edullista tasoittaa vääntövoimaa. Tämä tarkoittaa sitä, että useita käämejä, joilla on kullakin omat ohjauspiirinsä olisi jaettava tasaisesti kannun sisäpinnalle staattoriksi. Helpostikin huomaa, ettei kovinkaan montaa käämiä ole edullista käyttää. Yleensä käytetäänkin kompromissina kolmea eri käämiä, eli vaihetta. Kukin käämi on kuitenkin jaettu yleensä ainakin kahteen osaan. Eli kukin käämi on kiedottu ainakin kahden eri staattorin hampaan ympärille. Eli moottorissa voi olla esim. kuusi staattorin hammasta, mutta silti se on vain kolmevaiheinen. Kukin käämi on vain kiedottu kahden hampaan ympärille. Myös sähköisesti kolmivaiheisen moottorin käämit voidaan kytkeä parilla eri tavalla. Ensimmäisellä tavalla käämit voidaan kytkeä tähtimuotoon (Wye), jolloin jokaisen käämin toinen pää on kytketty yhteen ja toiset päät vaihejohtoihin. Toisessa tavassa käämit asetetaan kolmioksi (Delta), jolloin aina kahden käämin päät ovat kytketty aina yhteen. Tällöin kukin vaihejohto tulee tällaiseen kahden käämin liitoskohtaan. Moni onkin varmaan ihmetellyt, miksi 6 kieppinen harjaton moottori vastaa noin 12 kieppistä harjallista moottoria. Tähän on hyvinkin yksinkertainen selitys. Tähtikytkennässä minkä tahansa vaiheiden välille kytketyn virran on kuljettava aina kahden käämin läpi. Eli virta kulkee esim. kahden 6 kieppisen käämin läpi, jolloin tämä harjaton moottori vastaa sitä 12 kieppistä harjallista moottoria. Kolmiokäämityksen tapauksessa näin ei ole. Tällöin aina kahden vaiheen välillä on vain yksi käämi.

Kuusihampainen kolmivaiheinen harjaton
moottori poikkileikkauksena

Käämit voidaan kytkeä tähdeksi tai kolmioksi.

Tulikin mainittua, että moottorin vääntövoima on maksimissaan, kun roottorin (ankkuri) ja staattorin (käämitys) voimakentät ovat 90 asteen kulmassa toisiinsa nähden. Eli ideaalitapauksessa tasainen ja maksimaalinen voimakenttä saadaan aikaan siten, että staattorin voimakenttä etenee jatkuvasti 90 astetta roottorin voimakentän edellä. Koska vaiheiden määrä on rajoitettu tässä tapauksessa vain kolmeen, huomataan staattorin voimakenttän olevan muutettavissa vain 60 asteen askelin. Eli staattorin voimakenttä on keskimäärin ideaalisesti 90 astetta roottorin voimakenttää edellä, kun voimakenttien ero pidetään 60-120 asteen välillä. Tämä on merkitty keltaisella seuraavassa kuvassa. Kun voimakenttien välinen kulma on pudonnut 60 asteeseen, staattorin voimakenttää siirretään 60 astetta eteen päin (120 asteeseen) siirtämällä virta seuraavaan käämiiin.

Roottorin ja staattorin voimakentät
kolmevaiheisessa moottorissa

Harjattoman moottorin asennuksessa on muutamia huomioitavia asioita. Harjattoman moottorin hyötysuhde on siis parempi kuin vastaavalla harjallisella moottorilla. Tämän takia välitys voi olla hieman pitempi. Eli pinjoni voi olla hampaan tai pari suurempi. Sensorittomassa harjattomassa moottorissa on kolme vaihejohtoa (A, B ja C), joista minkä tahansa kahden johdon paikkaa vaihtamalla moottorin pyörimissuunta vaihtuu. Sensorillisen moottorin tapauksessa näin ei voi menetellä, koska tällöin sensorien välittämä informaatio menisi sekaisin. Sensorilliseen moottoriin ja nopeudensäätimeen on tämän takia merkitty kunkin vaihejohdon oikea paikka kirjaimilla A, B ja C. Harjattomassa moottorissa käämit ovat siis kannussa. Ne voivat olla myös melkoisen lähellä moottorin asennuksessa käytettäviä ruuvinreikiä, joten asennusruuvien valinnassa täytyy olla todella tarkkana. Liian pitkä ruuvi tuhoaa helposti käämin ja täten myös moottorin. Moottorin ohjekirjasta on hyvä tarkastaa ennen moottorin asennusta oikean ruuvin pituus. Jos mainintaa ei löydy, kannattaa ruuviehdokas ruuvata kevyesti käsin moottoriin ennen sen asennusta. Heti kun ruuvi ottaa kevyestikin kiinni käämiin, niin ruuvaus lopetetaan ja tarkastetaan, että ulkona olevan ruuvin pituus on selvästi pienempi kuin moottoripukin paksuus. Vielä on yksi asia hyvä muistaa. Vaikka harjaton moottori on tunnottomampi välitykselle kuin harjallinen sisarensa, ei välitysten pitentämisessä kannata liioitella. Moottorissa käytettävät magneetit alkavat menettää tehoaan radikaalisti moottorin lämmettyä liian kuumaksi. Tämä raja menee noin 100 asteessa.

Pikkuniksejä ja vinkkejä

1. Pinjonin ja isorattaan sopivan välyksen saa aikaiseksi käyttämällä tavallista sanomalehtipaperia. Paperi laitetaan rattaiden väliin ennen moottorin kiristämistä paikoilleen ja moottori painetaan kevyesti niin kiinni isorattaaseen kuin se menee. Kun moottori on kiristetty paikoilleen ja paperi poistettu, on välys sopiva.
2. Isorattaissakin on aina hieman heittoa. Eli jos 1. kohdassa mainitun välyksen haluaa saada "täysin" kohdalleen, niin kannattaa suorittaa säätö isorattaan tiukimmalle kohdalle. Eli pyöritetään isoratasta, kunnes löydetään kohta, jossa isoratas on lähinnä pinionia ja suoritetaan paperisäätö tälle kohdalle. Isorattaan heitto on yleensä todella pientä, joten tämä neuvo ei ole mitenkään oleellinen.         

Kierroslukumittarin rakentaminen

Joskus olisi kiva hieman vertailla eri sähkömoottoreita. Karkeasti tämän voi tehdä korvakuulolta tai radalla testaamalla. Olisi kuitenkin hedelmällisempää, jos asian voisi selvittää hieman tieteellisemmin. Laitteiston rakentaminen, jolla saataisiin hienoja käppyröitä tehosta, kierrosluvusta ja väännöstä tietokoneelle, ei ole kovinkaan yksinkertaista tai halpaa. Pelkästä kierrosluvustakin on hyötyä, ja tällaisen laitteiston rakentaminen ei ole kovinkaan vaikeata, joten tällaisen laitteiston rakentamista käsitellään tässä. Laitteiston rakenne on melkoisen yksinkertainen. Testattavan moottorin akselille asennetaan kiekko, jossa on tasaisesti reikiä, joita kannuun kiinnitettävä optoerotin laskee. Tätä optoeroittimen pulssia luetaan yleismittarilla, jossa on taajuuden mittausmahdollisuus. Kierrosluku saadaan kertomalla saatu taajuus 60:llä ja jakamalla moottorin akselilla olevien reikien määrällä. Alla on vielä periaatekuva laitteistosta.