Universaalmootor

Universaalmootor ehk universaalne kommutaatormootor on üks elektrimootori tüüpidest. Kuna kommutaatormootoreid võib toita nii alalisvoolu- kui ka vahelduvvooluvõrgust, nimetatakse neid universaalseteks kommutaatormootoriteks. Laialdaselt on levinud ühefaalilisest võrgust toidetavad jadaergutusega kommutaatormootorid. Alalisvoolukommutaatormootoris pole kindlaks määratud, millise klemmiga ühendatakse mootori klemmikarbis toiteallika pluss- ja miinusklemmid. Vahelduvvoolutoite korral kasutatakse ainult osa ergutusmähisest. See võimaldab vähendada mähise induktiivsust ja parandada mootori töötunnusjooni. Alalisvoolutoite korral läbib kogu ergutusmähist mootori töövool.^[1]

Vahelduvvoolutoite korral tekib mootori magnetahela massiivsetes osades suur soojuskadu ning avaldub ergutusmähiste suur induktiivtakistus. Masina omaduste parandamiseks koostatakse ta kere ja poolused ning ankur elektrotehnilisest lehtterasest stantsitud lehtedest. See võimaldab vähendada pöörisvoolu- ja hüstereesikadu. Ankrusüdamik valmistatakse ka alalisvoolumasinates elektrotehnilisest lehtterasest. Universaalsel kommutaatormootoril reguleeritakse pöörlemiskiirust ja muudetakse pöörlemissuunda sarnaselt alalisvoolu jadaergutusega mootoriga.^[2]

Universaalse kommutaatormootori võimsus on tavaliselt kuni 300 W. Mootoritel, mille võimsus on mõnisada vatti, on elektromagnetitega neljapooluseline staator. Mootori võrku lülitamisel ei pea mootorit eelnevalt koormama, kuna hõõrdekadu laagrites ja harjasõlmedes on küllaltki suur. Seetõttu mootori pöörlemiskiirus ei saavuta mootori jaoks ohtlikku kriitilist väärtust. Toites mootorit vahelduvvoolul sama suure pingega kui alalisvoolu korral, avaldub üks mootori eripära ja ka eelis. See ilmneb tööl väikese kiirusega (käivitus ja liigkoormus), kus staatorimähise induktiivtakistus piirab tarbitavat võimsust ja vastavalt mootori maksimaalset momenti orienteeruvalt 3–5 M_n-ni. Samal ajal on see alalisvoolu korral 5–10 M_n. Selleks et mootorite mehaanilised tunnusjooned alalisvoolu- ja vahelduvvoolutoite korral palju ei erineks, kasutatakse staatorimähise sektsioneerimist ja eraldi väljavõtet. Vahelduvvoolu korral on staatorimähise keerdude arv väiksem, mistõttu vool suureneb. Võimsatel alalisvoolu-kommutaatormootoritel on lisaprobleem. Kommutatsiooni hetkel, kui sektsioon läbib neutraali, muudab ankru (rootori) sektsiooniga ahelduv magnetvoog oma suunda vastupidiseks, mis indutseerib sektsioonis nn reaktiivse allikasisepinge. Kuna ankru (rootori) sektsiooniga aheldub ka staatori pulseeriv magnetväli, siis sektsioonide ümberlülitamise käigus indutseeritakse sektsiooni ka nn transformatoorne allikapinge. Viimase amplituud on suurim käivitamisel ja väheneb rootori kiirenemisel sünkroonkiiruseni, olles sünkroonkiirusel võrdne nulliga. Edasisel kiiruse kasvamisel suureneb amplituud jällegi võrdeliselt ankru (rootori) kiirusega. Probleemi lahendamiseks tuleb vähendada aheldusvoo suurust. Selleks püütakse kasutada ühekeerulist sektsiooni ja suurendada sektsiooni aktiivtakistust. Üheks võtteks on lisada kollektori lestade juurde takistid. kus on lihtne tagada nende jahutust. Samuti saab kasutada suurema eritakistusega harju. Lisapooluste kasutamist pole muutuva kiiruse korral kerge teostada. Harjade ja kollektorisõlme tööiga määrab tavaliselt universaalsete kommutaatormootorite tööea, mis tänapäevaste olmemasinate korral on võrreldav nende mehaanilste ülekannete ja talitlussõlmede tööeaga. Mootori nimimoment projekteeritakse 3–5 korda väiksemaks suurimast arendatavast momendist. Tühijooksu pöörlemiskiirust piirab vaid kadu mootoris. Seetõttu võib võimsa mootori käivitamine ilma koormuseta põhjustada selle purunemise – "lõhkijooksmise". Asünkroonmootor säilitab nn ventilaatori tunnusjoone tõttu nimikiiruse lähedase kiiruse ka siis, kui koormusmoment suureneb järsku ka kümneid protsente. Seejuures väheneb võlli pöörlemiskiirus vähe, vaid mõni protsent. Võlli kiiruse märgataval vähenemisel kuni kriitilise momendini mootori moment ei kasva, vaid langeb nullini ja mootor seiskub. Tühijooksul on pöörlemiskiirus muutumatu ja on veidi suurem nimikiirusest. Ühefaasilisel asünkroonmootoril seonduvad käivitamisega lisaprobleemid, kuna tavaoludes mootor momenti ei arenda. Et pulseeriva välja korral tekitada pöördemomenti, kasutatakse uurde lõhestamist; kunstliku lisafaasi tekitamist kondensaatori või takisti abil. Vastasfaasis vähendab pöördväli teoreetilise1t ühefaasilise asünkroonmasina kasuteguri 50–60%-ni.^[1]

Universaalmootorite positiivsed omadused on valmistamise, käigu ja remondi lihtsus ning küllaltki pikk tööiga.^[1]

• Kiirema käiguga ja kiirus pole seotud toiteallika sagedusega.
• Kompaktsus ka reduktori kasutamise korral.
• Suur käivitusmoment.
• Koormuse kasvu korral, kui toitepinge on muutumatu, vähenevad automaatselt ja võrdeliselt pöörded praktiliselt kuni nullini ja suureneb moment. Mootoril on pehme mehaaniline tunnusjoon. Moment on võrdeline ja pöörded on pöördvõrdelised võlli koormusega (tarbitava võimsusega). Sõltuvus on praktiliselt lineaarne tühijooksust kuni täieliku pidurduseni.
• Muutes toitepinget on võimalik sujuvalt, väga laias vahemikus – nullist nimiväärtuseni, reguleerida momenti ja pöörete arvu ajaühikus.^[1]

• Otse võrku lülitamine ilma lisaseadmeteta. Alalisvoolu-kollektormootor vajab vähemalt alaldit.
• Väiksem käivitus- ja liigkoormusvool ning käivitusmoment. See on eelis olmeseadmete korral.
• Lihtne juhtahel (kui see on vajalik), mis koosneb türistorist (sümistorist) või transistorist ja reostaadist. Kui juhtahela mõni koosteosa rikneb, siis mootor jääb töökorda, kuid lülitub tööle täisvõimsusega.^[1]

Negatiivse poole pealt on suure kasuteguri ja väikese massiga tõhusatel mootoritel väike pöördemoment ja suur pöörlemiskiirus ( tuhanded pöörded minutis), mistõttu tavaliselt on vajalikud reduktorid, välja arvatud ventilaatorid ja pumbad, mis seda ei vaja. Väikese kiiruse korral on mootori kasutegur väike ja tekivad jahutusprobleemid. Kommutaatori harjad kuluvad ning seetõttu välditakse nende mootorite kasutamist pidevalt töös olevates masinates. Lisaks kulumisele tekib ka suur müra.^[3] Universaalse kommutaatormootori kasutegur alalisvoolutoiteallika korral on suurem kui vahelduvvoolu toiteallika korral.^[1] Üldiselt on väiksemate mootorite kasutegur väiksem, ligi 30%, ning suuremate puhul 70–75%.^[4]

• Koormuse muutudes muutub pöörlemissagedus. Seal, kus on vajalik püsikiirus, on see puuduseks.
• Harjade ja kollektori olemasolust tingitud suhteliselt väike tööiga, vajadus kasutada kõvast materjalist harju, mis kulutavad kollektorit.
• Tugev sädelemine kommuteerimisel, mis põhjustab elektromagnetiliste häiringute teket.
• Suhteliselt suur kollektori, seega ka mootori koosteosade arv.^[1]

• Väiksem kasutegur staatori ümbermagneetimise kao ja potentsiaalilangu tõttu mähise induktiivtakistusel.
• Väiksem mootori poolt arendatav suurim pöördemoment.^[1]

Universaalseid kommutaatormootoreid kasutatakse oma kompaktsuse, kerguse, lihtsa pöörlemiskiiruse reguleerimise ja suhteliselt väikse maksumuse tõttu käsielektritööriistades ja olmetehnikas. Euroopa ja USA raudteedel kasutatakse neid veomootoritena. Universaalsed kommutaatormootorid sobivad hästi madalama toiteallika sageduse puhul. Neid on kasutatud sagedustel 16 ja 25 Hz. Mänguasjades kasutatakse kõige väiksemaid mõnevatise võimsusega alalisvoolukommutaatormootoreid, mille keres on kolme pooluskingaga laagritel paiknev rootor; kommutaatorisõlm, mis sisaldab kahte harja ja vasklestasid ning püsimagnetitega kahepooluseline staator. Toitepinge 3–9 V. Mootoritel, mille võimsus võib küündida mõnekümne vatini, on laagritel paiknev mitmepooluseline rootor; nelja grafiitharja ja vasklestasid sisaldav kommutaatorisõlm; püsimagnetitega neljapooluseline staator. Toitepinge on 12 V. Kasutatakse tänapäevastes autodes: kliimaseadmete ventilaatorite ajamid, klaasipesurite pumbad, kojamehed.^[1]

• Elektrimootor
• Samm-mootor
• Alalisvoolumootor
• Piesoelektriline mootor