Elektrisk motor
En elektrisk motor eller elmotor, konverterar elektrisk energi till mekanisk energi (rörelseenergi). Den omvända funktionen, att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi åstadkoms med en generator. Motorer som till exempel används för truckar och elektriska lokomotiv har ofta den dubbla uppgiften då de genererar ström vid inbromsning. Inom hushållen används elektriska motorer till bland annat fläktar och tvättmaskiner. De flesta elektriska motorer arbetar genom att utnyttja elektromagnetism men det finns även motorer som utnyttjar andra elektriska fenomen såsom elektrostatiska krafter och den piezoelektriska effekten. Den grundläggande principen på vilken de elektromagnetiska motorerna bygger är att en kraftverkan utövas på en strömförande ledare som är innesluten i ett magnetiskt fält. Kraften beskrivs av Lorentzkraften enligt vilken kraften är vinkelrät mot både ledare och det magnetiska fältet. Oftast är elektriska motorer av roterande typ i vilken den roterande delen kallas rotor och den stillastående delen kallas stator. Rotorn roteras på grund av att elektriska ledningar och de magnetiska fälten är så arrangerade att ett vridmoment utvecklas kring rotorns axel. Den finns även linjära motorer som bland annat används för att driva tågsätt som "vilar" på det elektromagnetiska fältet (Maglev) och som därigenom kan framföras med mycket små friktionsförluster. Linjärmotorer används även inom verkstadsindustrin, till att positionera t. ex. arbetsstycket i en fräs eller skärhuvudet i en laserskärmaskin. Fördelarna mot traditionella roterande motorer är dels snabbare positionering, eftersom den del som motsvarar rotorn i en roterande motor lättare kan kylas (tillåter högre strömstyrkor), dels högre positioneringsnoggrannhet, då statorn och 'rotorn' monteras direkt på maskindelarna. Den roterande motorn, däremot, måste använda sig av mekaniska element (till exempel kulskruvar och kugghjul) för att omvandla en roterande rörelse till en linjär med tillhörande precisionsproblem (värmeutvidgning, spel mellan komponenterna). En kritisk del av elmotorernas konstruktion är uppbyggnaden av de magnetiska delarna i rotor och stator. De magnetiska delarna är vanligtvis tillverkade av ett stort antal stansade stycken av tunnplåt. Med pulvermetallurgiska metoder är det emellertid möjligt att tillverka de magnetiska kretsarna i form av hela stycken.
Elektrifierad järnväg
3000 V i bland annat Belgien, Polen och Italien. 1500 V i bland annat Japan, Nederländerna, Frankrike och för Köpenhamns S-tåg samt Roslagsbanan. 600–750 V är normalt för spårvägar och tunnelbanor, till exempel i Stockholm och Göteborg. Högre verkningsgrad vid energiomvandlingen. Tåg drivs framåt med mekanisk energi (traktion mellan hjul och räls). Den mekaniska energin kan antingen genereras av energi som medföljer tåget i form av bränsle (fossilt, elektriskt (ackumulatorer) eller förnyelsebart) eller tillföras under färden i form av elektrisk ström. Eftersom verkningsgraden i ett kolkraftverk är högre (38%) än i en ångmaskin och verkningsgraden i ett oljekraftverk är högre än i en dieselmotor (45 %) i ett dragfordon så är det effektivare att tillföra energin via kontaktledning eller strömskena. Vid vattenkraft blir förhållandet ännu mer gynnsamt. I exempelvis Tyskland genereras den mesta elkraften till tågen från järnvägens egna kolkraftverk. Man kan säga att man fortfarande har ångdrivna tåg, även om förbränningen sker i kolkraftverk i stället för på ånglok, vilket blir effektivare. Diesellok blir i praktiken även mindre effektiva eftersom de går utan effektuttag under inbromsning och stopp. Nyare ellok kan i stället återmata energi vid inbromsningar ("regenerativ elbroms"). Lättare. Ett ånglok eller diesellok har en avsevärt högre vikt i förhållande till effekten (20 kW/t) än ett ellok (uppemot 80 kW/t). Ett lok som ligger på högsta tillåten axelvikt (STAX) kan därför göras avsevärt starkare om det är elektriskt. Ett lok måste dock väga en del för att få ner dragkraften till rälsen. Elmotorerna kan även vara mindre men fördelade på flera axlar i ett helt tåg så att adhesionskraften (förmågan att dra) multipliceras. Detta är viktigt vid pendeltåg med många starter (och återgenererande inbromsningar). Från 2000-talet beställs nästan alla persontåg med motorvagnar och lok köps mest bara till godståg. Billigare inköp. Vid dieseldrift behövs överföring av kraften till hjulen (elektriskt via elmotor/generator, eller hydrauliskt eller lastbilsväxellåda, se diesellok). Nya miljökrav gör det dyrt att utveckla motorer, och äldre modeller av diesellokmotorer accepteras inte på nya lok (liksom för bussar krävs motorer med datastyrning för att klara hårdare krav). Elmotorer är enklare (färre rörliga delar och väl beprövade. Billigare energikällor. El kan genereras från billigare energikällor som vatten-, kärn- och vindkraft. Miljövänligt. Detta är en följd av den högre verkningsgraden och dragkraften. Förutsatt att energiproduktionen ej utnyttjar bränslen så som kol och kolväten. Mindre underhåll. Modern elutrustning är nästan underhållsfri. Dieselbränsle måste fyllas på i diesellok. Dessutom måste motorolja bytas, och systemet ses över i högre grad hos dem än hos ellok. Ånglok behöver mycket driftsunderhåll, påfyllning, rengöring med mera. Det var de viktigaste anledningarna till att man slutat med ånglok. Oljeeldade ånglok är lite enklare i detta avseende, men har högre bränslekostnader än koleldade. Före 1950-talet var diesellok inte etablerade, och driftkostnaderna var mycket högre för ånglok på grund av mer personalbehov. Då elektrifierades många järnvägslinjer, något som stannade av senare, dels när dieseltåg tog över, dels när antal resande minskade på grund av bilism. Längre livslängd. Elmotorer håller längre än dieselmotorer. Mindre buller. Elmotorer är tysta. Fritt från avgaser på stationer och i tätbebyggt område. Dieselolja har, åtminstone tidigare, varit billig varför energikostnaden haft mindre inverkan. Det är skälet till att USA har mycket dieseldrift, trots att marknadsandelarna för godstrafik är högre än i Europa. I Danmark har man ganska dyr el och har valt att satsa på diesel och ha frihet från dieselskatt för tåg. Den skattefriheten gäller även i Sverige , medan Tyskland har hög dieselskatt.
Motor
Motor används även i överförd bildlig betydelse till exempel. Verkningsgrad. Kvoten mellan utgående energi och ingående energi. Alltid ett tal mellan noll och ett. Förbränningsmotorerna har relativt låg verkningsgrad medan elmotorer och vattenturbiner har en hög. Se motsvarande artiklar. Få problem har varit föremål för lika många idéer som att ersätta människans muskelkraft. Man började med dragdjur, hävstänger, lyftblock, segelriggar, vattenhjul, väderkvarnar mm. Man drömde även länge om ett perpetum mobile - en evighetsmaskin med en verkningsgrad >, 1. Den stora uppfinningen var ångmaskinen som lade grunden till industrialiseringen och järnvägarna. Sedan kom parallellt elmotorn, vattenturbinen och kolvmotorn som alla hade bättre verkningsgrad. Materialutvecklingen gjorde sedan att gasturbiner och än mer avancerade kolvmotorer kunde tillverkas. Materialutvecklingen var även förutsättningen för de raketmotorer som revolutionerat vår kunskap om rymden. Datoriseringen och kraftelektroniken har de senare åren ytterligare förbättrat förbränningsmotorerna mot lägre emissioner och elmotorer mot bättre styrning. Nanotekniken är kanske den senaste revolutionen som öppnar för extremt små nanomotorer av olika typer. Förbränningsmotorer. Omvandlar i en intern process (i motorn) kemisk energi (bränsle) till mekanisk energi eller impulsenergi genom oxidation med syre. Kolvmotorer. Utvecklar mekanisk energi i en roterande axel. Kan arbeta efter två processer oberoende av varandra: Dels tvåtaktsmotor eller fyrtaktsmotor och. dels Ottomotor med tändstift eller dieselmotor med självantändning av bränslet. Wankelmotor eller rotationskolvmotor. En motor där kolven inte sätts i en linjärörelse utan fås att rotera av impulsenergin. Gasturbin. Utvecklar mekanisk energi i en roterande axel. Om axeln driver en propeller kallas det turbopropmotor. Förbränningen sker kontinuerligt i en brännkammare där komprimerad luft oxiderar. Jetmotor. Utvecklar impulsenergi genom att avgaserna slungas ut, ofta över 10 ggr ljudhastigheten. Liknar gasturbinen med en kompressor för luften som oxiderar bränslet. Rammotor. Samma som en jetmotor men en kon för den inkommande luften komprimerar luften tillräckligt vid hastigheter >, 5 mach. Raketmotor. Utvecklar impulsenergi genom att tillföra syre direkt och inte ur luften. Finns dels för fast bränsle, till exempel krut, som innehåller både bränsle och oxidationsmedel. Dels med två tankar för flytande väte (vanligen) respektive flytande syre som pumpas in i en brännkammare. Gastryckmotorer. Dels med vattenånga som skapats i en extern process (eldad ångpanna eller ånggenerator i till exempel ett kärnkraftverk). Dels tryckluft från en kompressor: Kolvångmaskiner. Utnyttjar expanderande ånga till att driva kolvar som ger mekanisk energi i en roterande axel. Ångturbin. Utnyttjar expanderande ånga rörelseenergi till att bilda mekanisk energi i en roterande axel. Tryckluftmotor som omvandlar tryckenergi i komprimerad luft till mekanisk energi i olika former. Värmemotor som omvandlar varm gas eller vätska till mekanisk energi. Stirlingmotor som är en kolvmotor där en innestängd gas omväxlande värms och kyls och därvid ger en kolvrörelse som sedan driver en roterande axel. Vätsketryckmotorer. Vattenhjul. Utnyttjade i förr i tiden lägesenergin och rörelseenergin i vattenfall. Vattenturbin som omvandlar lägerenergi och rörelseenergi i vatten till mekanisk energi i en roterande axel. Hydraulmotor som omvandlar tryckenergi i en vätska till mekanisk energi i en roterande axel. Elektriska motorer. Omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi via magnetfält. Likströmsmotor. Energi i en roterande axel. Växelströmsmotor. Energi i en roterande axel. Antingen synkronmotor eller. asynkronmotor. Tekniken med växelriktare som kom i slutet av 1900-talet har möjliggjort varvtals- och momentreglering vilket ökat tillämpbarheten av dessa motortyper.
Pulsbreddsmodulering
Pulsbreddsmodulering, (PWM pulse width modulation eller PDM pulse duration modulation) är en metod att skapa en kontinuerligt varierbar effektmatning genom att slå på och av spänningen snabbare än vad den anslutna apparaten kan urskilja. Användningsområdet är styrning av elmotorer, värmeelement och liknande eller att överföra en styrsignal till exempel servon. Pulsformen kan ge upphov till stora elektromagnetiska störningar vid felaktig konstruktion. För överföring till elmotorer används pulsbreddsmodulering i styr- och reglerkretsar för att erhålla en kontinuerligt varierbar effektmatning trots att man arbetar med binära styrdon (antingen är det spänning eller inte alls i motorn), till exempel styrdon som slås på och av med reläer. Styrningen vid pulsbreddsmodulering sker med två parametrar: cykeltid och tillslagstid. Cykeltiden, som är konstant, väljes av användaren och bör vara kort i förhållande till det styrda objektets tidskonstanter. Styr- och reglersystemets uppgift är att bestämma tillslagstiden, det vill säga hur lång tid styrdonet ska vara tillslaget under varje cykel. Genom att slå på och av spänningen kan man reglera hastigheten på exempelvis en elmotor eftersom den inte hinner stanna om man ger korta impulser. Vill man ha högre hastighet ger man tätare spänningsimpulser. Exempel: Då styrsignalen är 30% av max effekt ska styrdonet vara tillslaget 30% av cykeltiden. Fördelen med pulsbreddsmodulering är att det ofta ger billigare och ibland också mer energibesparande lösningar jämfört med att arbeta med kontinuerliga styrdon. En klass AB- eller klass B- förstärkare som har en pulsbreddmodulerad insignal och har en negativ och en positiv spänningsmatning kan på så vis styra en växelströmsmotor. Man kan även samtidigt ändra amplituden men då är det kombinerad amplitud- och pulsbreddsmodulering. Det finns två andra modulationssätt som relaterar till pulsbreddsmodulering. Nämligen frekvensmodulering och amplitudmodulering.
Central remdrift
Den centrala remdriften var ett kraftöverföringssystem under den industriella revolutionen. Innan det blev vanligt med separata elektriska motorer till olika maskiner, var central remdrift en vanlig metod för att överföra kraft från en central kraftkälla som kunde bestå av exempelvis en ångmaskin, en större elektrisk motor eller någon annan form av stabil kraftkälla. Även vatten- och vindkraft kunde fungera som kraftkälla till en central remdrift i exempelvis fabriks- eller kvarnmiljöer. En typisk remdrift i en verkstads- eller fabriksmiljö kunde bestå av centrala drivaxlar som löpte i taket, vilka sedan drev olika maskiner via vertikala rep eller drivremmar. Genom att ha olika storlekar på de drivande hjulen kunde separata utväxlingar uppnås för olika behov av hastighet eller moment. De vertikala remmarna löpte så länge som de låg i ingrepp med ett roterande drivhjul i taket och de olika maskinerna kunde kopplas in genom att remmen lades på eller sträcktes upp, eller att kopplingar slogs till. I den förindustriella perioden användes vattenhjul och väderkvarnar som den huvudsakliga centraldriften, så länge som behovet var att driva maskiner i dess omedelbara närhet. Ibland kunde det dock även i dessa fall finnas behov av att driva enskilda maskiner när huvuddrivkällan stod stilla av olika skäl, varför en central drift kunde bli mer flexibel med andra typer av kraftkällor. Under industrialiseringen framkom, jämte olika typer av vatten- och vindkraft, olika typer av ångmaskiner och senare även större elmotorer som drev en eller flera parallella centralaxlar, som kunde försörja ett större antal enskilda maskiner som kopplades in och ur allt efter behov. Större elmotorer kunde även användas som en flexibel lösning även om den ursprungliga kraften kom från ett vattenhjul, då vattenhjulet drev en generator, som i sin tur drev en likströmsmotor. Som alternativ till dessa kraftkällor kom också lokomobilen till användning samt fotogenmotorer, i synnerhet inom jordbruket men även exempelvis inom gruvindustrin och på sågverk. Den elektriska motorns jämna vridmoment kunde skapa ett enklare handhavande i exempelvis väderkvarnar, där tidigare vindens varierande styrka medförde att mjölnaren fick ta till olika kompenserande åtgärder, som försvårade arbetet och kunde påverka malningens resultat. Med den elektriska motorn tillfördes ett alternativ till en svag eller ostadig vindkraft och en praktisk lösning var att utnyttja den interna remdriften och modifiera den till elektrisk drift. Förutom det enklare handhavande som elektriska motorer medförde, installerades de också som ersättning av exempelvis ångmaskiner för att få en högre verkningsgrad. I Sverige blev Arboga Mekaniska Verkstad 1887 först i landet med att installera en elektrisk motor för drift av verktygsmaskiner vid en taktransmission. Under utfasningen av taktransmissionen användes ibland en gruppdrift, där en grupp av maskiner blev driftsatta av samma elmotor. Nästa större förändring blev införandet av enkel- eller direktdrift, som innebar en elmotor monterad på varje verktygsmaskin. Det tämligen komplicerade systemet med taktransmission och långa drivremmar kunde då avskaffas, samtidigt som maskinparkens storlek och placering enklare kunde anpassas till behovet. Även om enkeldriftens fördelar var väl kända på slutet av 1800-talet, fanns remdriften kvar i många verkstäder långt in på 1900-talet. För överföringen av kraften kunde de drivande huvudaxlarna köras med ett stabilt fast varvtal och de enskilda maskinerna kunde kopplas till olika stora remhjul för att få ett anpassat varvtal. Remhjulen kunde vara tillverkade av stål, gjutjärn eller trä och remmarna var gjorda av läder, textil eller stål. Idag används främst olika typer av förbränningsmotorer, som driver generatorer, på mobila anläggningar i de fall som inte en direkt eldrift är lämpad.
