Elektrik motoru

Elektrik motoru, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren aygıttır. Her elektrik motoru biri sabit (stator) ve diğeri kendi çevresinde dönen (rotor ya da endüvi) iki ana parçadan oluşur. Bu ana parçalar, sargılar gibi elektrik akımını ileten parçalar, manyetik akıyı ileten parçalar ve vidalar ve yataklar gibi konstrüksiyon parçaları olmak üzere tekrar kısımlara ayrılır.

Bir elektrik motorunun iki mekanik parçası vardır: Hareket eden rotor ve hareket etmeyen stator. Elektriksel olarak motor, biri rotora, diğeri statora bağlı olan alan mıknatısları ve armatür olmak üzere iki parçadan oluşur. Birlikte manyetik bir devre oluştururlar.^[1] Mıknatıslar armatürden geçen manyetik bir alan oluşturur. Bunlar elektromıknatıslar veya kalıcı mıknatıslar olabilir. Alan mıknatısı genellikle stator üzerinde, armatür ise rotor üzerindedir ancak bunlar tersine de çevrilebilir.

Rotor, mekanik gücü sağlayan hareketli parçadır. Rotor tipik olarak statorun manyetik alanının şaftı döndürmek için kuvvet uyguladığı akımları taşıyan iletkenleri tutar. Bazı rotorlar kalıcı mıknatıslar taşır. Kalıcı mıknatıslar geniş çalışma hızı ve güç aralığında yüksek verimlilik sunar.^[2]

Stator, rotoru çevreler ve genellikle elektromıknatıslar (ferromanyetik bir demir çekirdeğin etrafındaki tel sargılar) veya kalıcı mıknatıslar olan alan mıknatıslarını tutar. Bunlar, rotor armatüründen geçen ve rotor sargılarına kuvvet uygulayan bir manyetik alan oluşturur. Stator çekirdeği, laminasyon adı verilen, birbirinden yalıtılmış birçok ince metal levhadan oluşur. Bu laminasyonlar, belirli bir manyetik geçirgenliğe, histerezise ve doygunluğa sahip elektriksel çelikten yapılır. Laminasyonlar, katı bir çekirdek kullanıldığında akacak olan indüklenmiş dolaşımdaki girdap akımlarından kaynaklanacak kayıpları azaltır. Şebekeyle çalışan AC motorlar tipik olarak sargıların içindeki telleri vakumda vernikle emprenye ederek hareketsiz hale getirir. Bu, sarımdaki tellerin birbirlerine karşı titreşerek tel yalıtımını aşındırmasını ve erken arızalara neden olmasını önler. Derin kuyu dalgıç pompalarında, çamaşır makinelerinde ve klimalarda kullanılan reçine dolgulu motorlar, korozyonu önlemek ve/veya iletilen gürültüyü azaltmak için statoru plastik reçineyle kaplar.^[3]

Stator ve rotor arasındaki hava boşluğu dönmesine izin verir. Boşluğun genişliği motorun elektriksel özellikleri üzerinde önemli bir etkisi vardır. Büyük bir boşluk performansı zayıflatacağından genellikle mümkün olduğu kadar az yapılır. Tersine, çok az boşluklar gürültünün yanı sıra sürtünme de yaratabilir.

Armatür, ferromanyetik bir çekirdek üzerindeki tel sargılardan oluşur. Telin içinden geçen elektrik akımı, manyetik alanın tel üzerine bir kuvvet (Lorentz kuvveti) uygulayarak rotoru döndürmesine neden olur. Sargılar, akımla enerji verildiğinde manyetik kutuplar oluşturacak şekilde lamine, yumuşak, demir, ferromanyetik bir çekirdeğin etrafına sarılmış sarmal tellerdir.

Sargılar, akımla enerji verildiğinde manyetik kutuplar oluşturacak şekilde lamine, yumuşak, demir, ferromanyetik çekirdek etrafına sarılmış sarmal tellerdir.

Elektrikli makineler çıkıntılı ve çıkıntısız kutup yapısına sahiptir. Çıkıntılı kutuplu bir motorda, rotor ve statorun ferromanyetik çekirdekleri, kutup adı verilen ve birbirine bakan çıkıntılara sahiptir. Telin içinden akım geçtiğinde kuzey veya güney kutupları haline gelen kutup yüzünün altındaki her bir kutbun etrafına tel sarılır. Çıkıntısız kutuplu (dağıtılmış alanlı veya yuvarlak rotorlu) bir motorda, ferromanyetik çekirdek, sarımların çevre etrafındaki yuvalara eşit şekilde dağıtıldığı düzgün bir silindirdir. Sargılara alternatif akım verilmesi, çekirdekte sürekli dönen kutuplar oluşturur.^[4] Gölge kutuplu bir motor, kutbun bir kısmı etrafında, o kutup için manyetik alanın fazını geciktiren bir sargıya sahiptir.

Komütatör, rotora akım sağlayan döner bir elektrik anahtarıdır. Mil döndükçe rotor sargılarındaki akımın akışını periyodik olarak tersine çevirir. Armatür üzerinde birden fazla metal temas bölümünden oluşan bir silindirden oluşur. Karbon gibi yumuşak iletken bir malzemeden yapılmış "fırça" adı verilen iki veya daha fazla elektrik kontağı, komütatöre baskı yapar. Fırçalar, döndürücü döndükçe ardışık komütatör bölümleriyle kayan temas kurarak rotora akım verir. Rotordaki sargılar komütatör bölümlerine bağlanır. Komütatör, her yarım dönüşte (180°) rotor sargılarındaki akım yönünü tersine çevirir, böylece rotora uygulanan tork daima aynı yönde olur.^[5] Bu ters dönüş olmasaydı, her bir rotor sargısındaki torkun yönü, her yarım dönüşte tersine dönerek rotoru durdururdu. Komutasyonlu motorların yerini çoğunlukla fırçasız motorlar, sabit mıknatıslı motorlar ve asenkron motorlar almıştır.

Motorun mili, yükü karşılayacağı motor gövdesinin dışına doğru çıkıktır. Yükün kuvvetleri en dıştaki yatağın ötesine uygulandığından, yükün bir nevi asılı olduğu söylenir.^[6]

Rotor, eksenel ve radyal yüklerin kuvvetini şafttan motor gövdesine aktararak rotorun kendi ekseni üzerinde dönmesini sağlayan rulmanlar tarafından desteklenir.^[6]

Alternatif akım (AA/AC) ile çalışan^[7] elektrik motorlarında rotor ve statorun manyetik akıyı ileten kısımları fuko akımlarından kaçınmak amacıyla tabakalandırılmış saçlardan yapılır. Rotor ve stator saç paketlerinin yapılması için 0,35 - 1,5 mm kalınlığında, tek ya da çift taraflı yalıtılmış saç levhalar makas tezgâhlarında şeritler halinde kesilir.^[8] Bu şekilde oluşturulan saç şeritler şerit çekirdekli trafoların ve makinaların yapımında başka bir işleme gereksinilmeden derhal kullanılabilmektedir.^[8] Makastan çıkan saç şeritler çok seri -çalışan kalıp- kesme presine verilir. Dakikada 300 - 500 kesme yapan 500000 kp'lık presler stator ve rotor saç profillerini bir dizi-kesme halinde arka arkaya çıkartır.

Rotor ve stator saç profilleri^[8] birbirinin boşluğunu dolduracak şekilde kesildiğinden (kalıpla), üretim sonu kırpıntı parça miktarı çok azdır. Büyük çaplı rotor ve stator saç paketleri genellikle tek - kesmede çıkartılır. Bunun için, önceden hazırlanmış disk şekildeki saçlar üst üste gelecek şekilde yerleştirilir. Bu şekilde yerleştirilmiş saç tabakaları kalıp - kesme presinde tek bir hamlede kesilir. Sargıların yerleştirilmesi için gerekli oluklar makinelerde açılır. İşlem görecek parça miktarı fazla değil ise oluk açma otomatında oluklar tek tek açılır. Büyük sayıdaki parça miktarları ve büyük çaplı saçlar için her seferinde 5-6 oluk açabilen otomatlardan yararlanılmaktadır. Oluk açma otomatlarından gelen saçlar özel sayıcı terazilerde tartılır, istif makinesinde üst üste tabakalandırılır ve 5 - 10 kp/cm² lik bir basınç altında saç paketi halinde birleştirilir.

Stator ve rotor sargı oluklarına uygulamada genellikle karton döşenmektedir. Yalıtmak amacıyla döşenen kartonun görevi: Oluk içindeki pürüzleri örtmek ve sargı tellerini hasarlardan korumaktır. Karton ile yalıtılan oluklara sargılar döşenir. Stator ve rotor sargıları tek kat ya da çift kat sarımlı yapılırlar. Tek katlı sargılarda her oluk içinde her bir sargının yalnız bir kenarı, buna karşın çift katlı sargılarda çift sayıda bobin kenarı (genellikle iki) bulunur. Stator Sargıları: Tek katlı sargılarda, önceden bir sargı makinesinde hazırlanmış ve izole edilmiş sargı paketleri açık oluklara tek tek yerleştirilir. Büyük gerilimli statorlarda açık oluklu saç paketleri kullanılır. Yarı açık oluklara sargılar özel kalıp ya da şablonlar yardımıyla tek tek döşenmektedir. Tam kapalı oluklar içine, teller statorun alın tarafından başlayarak, ipliğin iğneye geçirildiği gibi tek tek geçirilir. Sonra bu teller sargı haline getirilir. Oldukça uğraşılı bu tür sarım yerine özel sargı paketleri de kullanılmaktadır. Bu sargı paketlerindeki iletkenler sadece daha önceden hazırlanmış taraflarından oluklara sokulur. Bu şekilde olukların diğer tarafından dışarı çıkan sargı başları birbirleriyle sert lehim ya da kaynak suretiyle birleştirilir.

Şayet oluklara az sayıda ve büyük kesitli iletkenler sokulacaksa, çubuk şeklindeki iletkenler kullanılır. Bunlar sonradan kendi aralarında vidalarla ya da lehimlemek suretiyle birleştirilir. Tahta ya da fiberden yapılmış oluk kamaları (ya da takozları) oluk ağızlarını kapatmaya yarar. Oluklardan dışarı çıkan sargı başları pamuk ya da cam pamuğu ile sıkıca sarılarak yalıtılır. Sargıların devre bağlantıları sağlandıktan sonra stator bir fırın içinde 100 °C civarında kurutulur ve sonra yalıtkan vernik emdirilir. Vernik emdirme işlemi havasız bir ortam içinde yapılır. Bunun için önce stator bir vakum kabı içine yerleştirilir ve kap sıkıca kapatılarak havası çekilir. Sonra kabın üstünde bulunan vernik musluğu açılarak içeriye vernik gönderilir. Ortam havasız olduğundan içeriye gönderilen vernik sargıların en küçük aralıklarına dahi nüfuz eder. Vernik emdirme işleminden sonra stator tekrar kurutma fırınına sokulur ve burada son kurutma işlemi yapılır. Rotor sargıları elde ya da makinede sarılır. Bunun dışında uygulanacak bütün işlemler stator sargılarında olduğu gibidir.

Klasik olarak elektrik motorları AC ve DC olarak iki bölüme ayrılır.

• AC alternatif akımla çalışan
• DC doğru akımla çalışan motorlardır.

Alternatif akım elektrik enerjisini, mekanik enerjiye çeviren elektrik motorlarıdır. Bu motorların asenkron tipleri standart bir aygıt olmuştur. Senkron tipleriyse, büyük güç gerektiren yerlerde kullanılabilir. Alternatif akım motorları iki grupta toplanabilir: asenkron (indüksiyon) motorlar ve senkron motorlar. Bütün bu motorların temel ilkesi, manyetik saclardan yapılmış bir kütlenin, döner bir elektromanyetik alan yardımıyla sürüklenmesine dayanır. Bu iki grup motorlarda da eksenli iki armatür bulunur: Bunların ilki olan stator sabit, ikincisi rotorsa hareketlidir. Senkron motorun statoru asenkron motorun statoruyla aynı şekilde ve aynı yapıdadır; birbirinden vernikle yalıtılmış manyetik saclardan oluşan bir bilezik biçimindedir; bu sacların üzerindeki yivlere üç fazlı akımlarla beslenen bir sargı sarılmıştır. Bir senkron motorda manyetik alanı, rotorun sargısını besleyen bağımsız bir doğru akım yaratır; burada rotorun çalışma hızı vardır. Bu tip motorların başlıca yetersizliği, rotorun kendi başına harekete geçmemesi sorunudur. Asenkron motorun çalışması oldukça farklıdır: rotorun sargısı çok fazladır ve rotora yalnız statordan kaynaklanan tek alan akım indükler. Rotor başka hiçbir enerji kaynağına bağlı değildir. Dönme hızı ne olursa olsun (ilk çalışmada bile), mekanik bir kuvvet çifti sağlar; düzenli çalışma sırasında bu hız senkron hızından (yani döner alan hızından) farklıdır; bu hız farkı motorun üzerindeki yüke bağımlıdır. Sincap kafesli motorlarda sargı, yapraklı bir rotorun yivlerine yerleştirilmiş bakır veya alüminyum çubuklardan oluşur; bu yapı basit, sağlam ve ucuzdur. Bu tip motorlar, imalat sanayinde, pompaların ve vantilatörlerin çalıştırılmasında veya ambalajlamada çok yaygın olarak kullanılan standart aygıtlardır. İlk olarak Nikola Tesla tarafından tasarlanmış ve geliştirilmiştir.

Bir DA motor, doğru elektrik akımı ile çalışmak üzere tasarlanmıştır. Saf DA tasarımlara iki örnek Michael Faraday'ın tek kutuplu motor (nadiren kullanılır) ve bilyeli yatak motor (orijinalden çok uzaktır). En yaygın türleri fırçalı ve fırçasız tiplerdir.

Küçük çaplı ve genellikle içerisinde kompanzasyon sargısı olan, kuvvetli manyetik alanı boyu uzun doğru akım motorlarına servo motor denir. DA motorlar gibi imal edilirler. 1 devir/dakikalık hız bölgelerinin altında bile kararlı çalışabilen, hız ve momentkontrolü yapan yardımcı motorlardır. Örneğin hassas takım tezgâhlarında ilerleme hareketleri için genellikle servo motorlar kullanılır. Servo motorların alternatif akım ile çalışan modelleri fırçasız, DA ile çalışan modelleri ise fırçalıdır. Bunlar; elektronik yapılı sürücü veya programlayıcı devrelerle birlikte kullanılır. Günümüzde yapılan servo motor çalıştırma sürücüleri, tamamen mikroişlemci kontrollü ve dijital yapılıdır.

Bu tip servo motorlar, genellikle iki fazlı sincap kafesli indüksiyon tipi motorlardır. İki fazlı asenkron motorlar, büyük güçlü yapılmakla birlikte çoğunlukla otomatik kontrol sistemlerinde servo motorlar olarak kullanılmak amacı ile küçük güçlü yapılır. Fırça ve kolektör olmadığından arıza yapma ihtimalleri az, bakımları kolaydır. AA servo motorlar, iki fazlı ve üç fazlı olmak üzere iki tipte incelenir.

İki fazlı servo motorun statorunda eksenleri arasında 90°'lik elektriksel açı olan referans ve kontrol sargısı olmak üzere iki adet sargı vardır. Rotoru ise sincap kafesli sargı taşır, fakat yüksek dirence sahip olması gibi birtakım özellikler kazandırılmıştır. AA servo motorlarında rotor devresi, oldukça yüksek dirence sahip olacak şekilde imal edilir. Bu işlem ya sincap kafes çubuklarında ya da çubukların bağlantı noktalarında yüksek dirençli maddeler kullanılarak yapılır.

DC servo motorlar, genel olarak bir DC motoru olup, motora gerekli DC akımı aşağıdaki metotlarla elde edilir. Bir elektrik yükselteçten AA akımın doyumlu reaktörden geçirilmesinden AA, akımın tristörden geçirilmesinden Amplidin, retotrol, regüleks gibi dönel yükselteçlerden elde edilir. DC servo motorlar, çok küçük güçlerden çok büyük güçlere kadar imal edilir (0,05 Hp'den 1000 Hp'ye kadar). Bu motorlar, klasik DA motorlar gibi imal edilir. Bu motorlar, küçük yapılırdır ve endüvileri (yükseklik.uzunluk/çap oranıyla) kutup ataleti momentini minimum yapacak şekilde tasarlanır. Küçük çaplı ve genellikle içerisinde bir kompanzasyon sargısı olan kuvvetli manyetik alanlı, boyu uzun doğru akım motorlarına da servo motor denir.

Exproof motorlarda koruma sınıflarına göre yüzey sıcaklıkları limitlenmiştir ve yine koruma sınıfına göre alev, kıvılcım ve ark sızdırmazlık özellikleri bulunmaktadır.