Önemli İcatlar - Elektrik Motoru

elektrik motoru

elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makine.

Bu dönüşümün tersini gerçekleştiren, bir başka deyişle, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren makineler ise elektrik üreteci (jeneratör) olarak anılır.

Elektrik motorunun geliştirilmesine yönelik ilk çalışmaları DanimarkalI bilim adamı Hans Christian 0rsted başlattı. 1820’de 0rsted, bir iletkenden geçen elektrik akımının bir magnetik alan oluşturduğunu buldu. Bu olgunun tersinin de geçerli olduğunu kanıtlamaya çalışan Michael Faraday, 1821’de, elektrik akımını dönme hareketine dönüştüren bir aygıt yaptı, böylece elektrik motorunun ilk basit örneği gerçekleştirilmiş oldu. 1870’lerin başında Belçika asıllı Fransı elektrik mühendisi Zenobe-Theophile Gramme, bugün kendi adıyla anılan dinamoyu buldu; ardından, dinamoya elektrik akımı verildiğinde bu aygıtın motor olarak çalışacağını belirledi. Böylece pratik kullanıma elverişli ilk elektrik motorunu gerçekleştirmiş oldu. 1888’de Sırp asıllı ABD’li elektrik mühendisi Nikola Tesla, alternatif akım motorları için temel bir çalışma ilkesi olan döner magnetik alanı bularak ilk asenkron motoru gerçekleştirdi. Böylece günümüzde yaygın olarak kullanılan elektrik motorlarının ilk örneği ortaya çıkmış oldu.

Elektrik motorlarının çalışması iki temel ilkeye dayanır. Bunların birincisi, bir magnetik alanda bulunan ve doğrultusu, alanın doğrultusuna dik olan bir iletkenin, içinden elektrik akımı geçirildiğinde bir kuvvet etkisinde kalacağını belirleyen Ampere yasasıdır. Faraday indükleme yasası olarak adlandırılan ikinci ilke, bir magnetik alanda bulunan ve alana dik doğrultuda hareket eden bir iletkenin uçlarında bir potansiyel farkı (gerilim) oluşacağını belirler.

Bu ilkelere dayalı olarak, elektrik motorları, stator ve rotor olmak üzere iki ana bölümden oluşur. Stator, motorun hareket etmeyen bölümüdür. Magnetik malzemeden (çoğu kez demirden) bir gövde ile bu gövde üzerine sarılmış iletkenlerden oluşan stator, iletkenlerden akım geçirildiğinde içinde bir magnetik alan oluşturur. Bu magnetik alan içinde dönebilecek biçimde yerleştirilen rotordaki iletkenlerden geçen akımın oluşturduğu magnetik alan, statorun magnetik alanıyla etkileşime girer; bunun sonucu olarak da rotor dönme hareketi yapar. Rotorda ayrıca, durağan fırçalara sürtünerek dış devreyle elektrik bağlantısı kuran iletkenler (örn. bilezikler) bulunur. Rotor, dönme hareketini dışarıya aktaran bir mil üzerine yerleştirilmiştir.

Elektrik motorları, doğru akım motorları ve alternatif akım motorları olmak üzere iki ana sınıfa ayrılır. Bu türler ayrıca, magnetik alanların oluşum biçimlerine göre indüksiyon motorları (asenkron motorlar), senkron motorlar ve komütatörlü (toplaçlı) motorlar olmak üzere gruplanır.

İndüksiyon motorlarında, statordaki sargılara dışardan gerilim uygulanır. Rotordaki sargının uçları birbirine bağlıdır, bir başka deyişle bu sargı bir kapalı halka oluşturur. Statordaki sargılara uygulanan gerilimle bir döner magnetik alan oluşturulur. Döner alan, yönü sürekli olarak dönmekte olan bir alandır. Böyle bir alanın oluşturulabilmesi için statorda, içlerinden geçen akımlar arasında faz farkı olan (tepe değerlerine erişme anları arasında zaman farkı olan) en azından iki sargının bulunması gereklidir. Statorun oluşturduğu döner alan, rotordaki sargılarda bir akım indükler; bu akımın oluşturduğu magnetik alan ile dönef alan arasındaki etkileşim rotorun dönmesini sağlar.

Üç fazlı motorlar ve rotoru iki bakır halkayı birbirine bağlayan bakır çubuklardan oluşan sincap kafesli motorlar bu tür motorlara örnektir. Tek fazlı gerilimlerle, örneğin evlerdeki şebeke gerilimiyle çalışmak üzere geliştirilen motorlarda, şebeke gerilimi, statordaki iki sargıdan birine doğrudan, ötekine de bir sığaç (kapasitör) üzerinden geçirilerek fazı kaydırılmış olarak uygulanır. Faz farkı, statordaki sargıların bir bölümü üzerine kısa devre edilmiş bir bobin yerleştirerek de oluşturulabilir. “Örtülmüş kutuplu” olarak adlandırılan bu tür motorlar, vantilatörlerde, pikaplarda ve çeşitli ev aletlerinde yaygın olarak kullanılır.

İndüksiyon motorları, döner alanın rotorda akım indüklemesi ilkesine dayandığından bu adla anılır. Rotorda akım indüklenebilmesi için rotorun, döner alanın dönüş hızından farklı hızda (biraz yavaş) dönmesi gerekir. Bu olgu, bu türden motorların “asenkron motor” olarak adlandırılmasını da açıklar. Asenkron motorlar, yapılarının basitliği, verimlerinin yüksekliği ve maliyetlerinin düşük olması nedeniyle en çok kullanılan motor türüdür.

Senkron motorlarda da stator bir döner alan oluşturur. Rotora bilezikler aracılığıyla doğru akım uygulanır; bu şekilde rotor, sabit bir magnetik alan oluşturur ve bir mıknatıs çubuğu özelliği gösterir. Böylece rotorun, döner alanın dönüş hızına tam tamına eşit bir hızla dönmesi sağlanmış olur (“senkron” terimi bu olguyu vurgular). Küçük senkron motorlarda dışardan doğru akım uygulanmasına gerek bırakmayan bir çözüm olarak, rotor, sabit mıknatısların yapıldığı malzemeden yapılır ve üzerindeki kalıcı mıknatıslanmanın etkisiyle döner alana kilitlenerek döner. Histerezis motoru denilen bu tür motorlar, dönme hızının çok önemli olduğu ve fazla mekanik güç gerektirmeyen yerlerde, örneğin cayroskoplarda, pikap tablalarında, teyp aygıtlarında ve elektrikli saatlerde kullanılır.

Doğru akım motorlarında magnetik alan sabit mıknatısla sağlanır. Mıknatısın kutupları arasında dönen ve armatür de denilen rotora doğru akım, fırça komütatör aracılığıyla uygulanır. Komütatör, armatürdeki akımın yönünü her yarım dönüşte değiştirmeye yarar. Armatür, kendi magnetik kutuplarını sabit mıknatısın karşıt kutuplarının karşısına getirecek biçimde döner; tam bu sırada komütatör akımın yönünü değiştirir, böylece armatürün magnetik kutupları değişir ve armatür bir yarım dönüş daha yapar, akım yönü yeniden değişir ve dönme hareketi sürer. Küçük doğru akım motorlarında (örn. pilli oyuncaklarda) magnetik alanın sabit mıknatısla sağlanmasına karşın, büyük motorlarda bu amaçla elektromıknatıslar kullanılır. Elektromıknatıs bobinin armatürle seri, paralel ya da iki bobin olarak hem seri hem paralel bağlı olmasına göre bu motorlar, sırasıyla, seri motor, şönt motor ve karma motor olarak anılırlar. Seri motorlar tam yükte büyük kalkış momenti sağlayabilme niteliklerinden ötürü özellikle cer uygulamalarında (örn. tramvay, lokomotif) kullanılmaya uygundur. Alternatif akım komütatörlü motorları da çok kullanılan motor türleri arasındadır. Matkap, elektrik süpürgesi, mikser gibi ev aygıtlarında bu tür motorlar kullanılır. Bu motorlar hem alternatif akımla, hem de doğru akımla çalışabilirler. 25 Hz’lik ya da 16% Hz’lik alternatif akımla çalışan yüksek güçlü seri motorlar özellikle elektrikli trenlerde kullanılır.