Sähkömoottori 

Sähkömoottori - teollisen yhteiskunnan käyttövoima

Sähkömoottoreita on käynnissä maailmassa satoja miljoonia. Kaikkiaan arvioidaan, että noin puolet kaikesta tuotetusta sähköstä käytetään sähkömoottoreissa. Sähkömoottorien täytyy olla mahdollisimman korkeatasoisia, jotta kallista sähköenergiaa ei kuluisi hukkaan. Suurten sähkömoottoreiden hyötysuhde vaihtelee 95:n ja 98:n prosentin välillä, mutta aivan pienimmillä moottoreilla hyötysuhde voi jäädä varsin alhaiseksikin. Esimerkiksi halpa porakone muuttaa vain 25 % ottotehostaan akselitehoksi. Yleensä teollisuuden käyttämien moottoreiden hyötysuhde on parempi kuin 80 %.

Suuressa suomalaisessa paperitehtaassa moottoreita voi olla esim. 10000 kpl. Eniten moottoreita esiintyy kuitenkin kuluttajien laitteissa. Modernissa autossa voi olla jopa yli 60 sähkömoottoria, vaikka itse auto vielä kulkeekin polttomoottorilla. Tulevaisuudessa sähkömoottorien käyttö lisääntyy suuresti, kun liikenne ja liikkuvat työkoneet vähitellen sähköistyvät. Sähkömoottori on jo varttuneesta iästään huolimatta tärkeällä kehityspolulla. Sähköauto liikkuu yleensä joko nopeakäyntisen oikosulkumoottorin tai vaikkapa suoraan pyörännapaan rakennetun kestomagneettitahtikoneen vauhdittamana.

Sähkömoottori tuottaa vääntömomenttia halutulla pyörimisnopeudella. Tarkastellaan kuvaa 1. On helppo ymmärtää, miten kolmen kesto- tai sähkömagneetin muodostaman alkeiskoneen "roottori" pyrkii kääntymään yhdensuuntaiseksi kahden muun magneetin kanssa.

Kuva 1 Alkeellinen sähkömoottori, jossa kesto- tai sähkömagneettien muodostama järjestelmä tuottaa vääntömomenttia. Oikealla kestomagneetit on korvattu sähkömagneeteilla. Sähkömagneettien virrat on kuvattu käyttäen eräänlaisia virtavektoreita, jotka kuvaavat virtojen synnyttämien sähkömagneettien vuon suuntaa ja virtojen suuruutta.

Kuvaan on myös piirretty virtapiirros, joka kuvaa sähkömagneettien virtavektoreita. Virtavektorien suunnat määräytyvät sähkömagneettien tuottamien magnetomotoristen voimien suuntien mukaisiksi. Kuvan 1 koneissa on se vika, että roottorin käännyttyä pystysuoraan vääntömomentti katoaa. Todellinen sähkökone voidaan toteuttaa esimerkiksi niin, että staattorissa olevat magneetit ovatkin liikkuvia.

Liikkuva kestomagneetti voidaan toteuttaa liittämällä kestomagneetit sopivaan rumpuun ja pyörittämällä sitä. Roottori seuraa mukana, kuva 2. Tämä ei tietenkään ole oikea moottori, vaan kestomagneeteilla toteutettu synkroninen, kosketukseton kytkin. Tällaisia saa ostaa erikoistarkoituksiin. Kemistit soveltavat tätä konetyyppiä lasipullojensa pohjalle asetettavissa sekoitinmagneeteissa, joita ulkopuolinen moottorilla pyöritettävä kestomagneetti vetää.

Kuva 2 Alkeiskestomagneettikone, oikeammin kytkin. Roottoria voidaan kuormittaa vääntömomentilla, jos staattorin kestomagneetit saadaan pyörivään liikkeeseen. Staattorin magneetit on kiinnitetty pyöritettävään kehään.
 

Kuva 2 Alkeiskestomagneettikone, oikeammin kytkin. Roottoria voidaan kuormittaa vääntömomentilla, jos staattorin kestomagneetit saadaan pyörivään liikkeeseen. Staattorin magneetit on kiinnitetty pyöritettävään kehään.

Kuvan 1 konetta voidaan kehittää edelleen lisäämällä staattorin magneettipiiriin magneettisesti hyvin johtava staattoriselkä. Staattoriselkä houkuttelee sähkökoneen vuon kulkemaan selkää pitkin. Kuva 3 havainnollistaa tällaisia koneita.

Kuva 3 Tasavirtakone sekä molemmin puolin avonapainen reluktanssikone. Kuviin on merkitty myös roottorien ns. pitkittäis- ja poikittaisakselit d ja q. Merkinnät tulevat englanninkielisistä termeistä direct-axis ja quadrature-axis.

Kuvan 3 tasavirtamoottori muistuttaa oikeaa tasavirtakonetta staattorinsa osalta, mutta roottoria olisi kehitettävä huomattavasti jatkuvan vääntömomentin kehittämiseksi. Kuvan 3 kone pysähtyy pystysuoraan asentoon. Jos voisimme muuttaa alkeistasavirtakoneen roottorin virran aina sopivasti päinvastaiseksi, saisimme koneen toimimaan jatkuvasti. Tämä onnistuu kytkemällä roottorin johtimet mekaaniselle vaihtosuuntaajalle l. kommutaattorille.

Oikeanpuoleinen kone on esimerkki molemmin puolin avonapaisesta reluktanssikoneesta. Roottorissa ei ole käämiä lainkaan, mutta se pyrkii silti kääntymään asentoon, joka tuottaa magneettipiirille pienimmän magneettivastuksen. Näin magneettista energiaa varastoituisi mahdollisimman vähän. Tämän on luonnonmukaista. Kaikki luonnon systeemit pyrkivät energiaminimiin. Koneen vääntömomentinmuodostuksen voi ymmärtää halutessaan Michael Faradayn opein. Hän väitti, että jokaisessa vuoviivassa esiintyy jännitystä. Vuoviiva on kuin jännitetty kumilanka. Tämän jännityksen seurauksena ilmavälin ympäristössä taipumaan ja venymään joutuvat vuoviivat pyrkivät lyhenemään ja siten kääntämään roottorin kohti induktanssimaksimia.

Tasavirtamoottori

Tasavirtamoottorin avulla kehitettiin ensimmäiset säädetyt sähkömoottorikäytöt. Varsinkin ns. vierasmagnetoitu täysin kompensoitu tasavirtakone on suorastaan ideaalinen säädettävä. Sen pyörimisnopeus- ja vääntösäätö ovat helppoja toteuttaa yksinkertaisin välinein. Tasavirtakone hallitsikin säädettyjen sähkömoottorikäyttöjen maailmaa lähes koko viime vuosisadan. 1970-luvulta lähtien tasavirtamoottori alkoi syrjäytyä teollisuuden käytöissä oikosulkumoottorin tieltä. Tasavirtamoottori vaati säännöllistä hiili- ja kommutaattorihuoltoa, minkä vuoksi sen käyttäminen on nykyään teollisuudessa kallista. Tasavirtamoottorin hyötysuhde on hieman esimerkiksi oikosulkukoneen hyötysuhdetta heikompi. Koska roottorilla on kuparilangasta valmistettu urakäämitys ei tasavirtakone kestä kovin suuria pyörimisnopeuksia. Teollisuuden tasavirtakoneet pyörivät tyypillisesti enintään 1500 rpm.

Vaikka tasavirtakoneen valtakausi teollisuudessa on ohi, suorastaan mittaamattomat määrät tasavirtakoneita käytetään edelleen kaikenlaisissa pienissä kohteissa. Esim. nykyaikaisessa ajoneuvossa voi olla kymmeniä pieniä tasavirtamoottoreita.

Tasavirtakoneen elämänkaaren kannalta kuvaavaa on myös liikennevälinekäyttöjen kehitys. Esim. varhaiset sähkökäyttöiset bussit oli tavallisesti varustettu ns. tasavirtasarjakoneilla, joita voidaan käyttää ilman tehoelektronista säätöä. Vielä nykyisinkin käytössä olevat VR:n SR1 sähköveturit soveltavat tasavirtakonetekniikkaa tyristorisiltoineen, mutta uudemmat SR2 veturit onkin jo varustettu oikosulkumoottorein ja taajuudenmuuttajin.

Kehitetään tasavirtakonetta edelleen kuvan 3 alkeisversiosta. Kuva 4 esittää jo aivan kelvollista ankkurikäämityksellä ja hiiliharjoilla varustettua tasavirtakonetta.

Kuva 4 Tasavirtamoottori ja täysin kompensoitu tasavirtamoottori sekä vastaavien konetyyppien virtavektoripiirrokset. Roottorin urissa kulkevat virrat on merkitty nuolen pyrstöillä ja nuolenkärjillä. Oikean käden säännön mukaan roottorit tuottavat magneettivuon vasemmalta oikealle. Magnetointikäämin pääosin tuottamaan Ilmavälivuohon nähden poikittaisen magnetomotorisen voiman tuottava roottorivirta antaa parhaan vääntömomentin. Huomaa, että roottorilla, kompensointikäämissä ja kääntönavoilla kulkee täsmälleen sama virta.

Tasavirtakoneen roottorilla l. ankkurilla käytetään joko silmukka- tai aaltokäämitystä niin, että virran suunta roottorisauvoissa vaihtaa aina suuntaansa ohittaessaan kommutaattorin hiiliharjan. Tämä on nähtävissä hyvin kuvasta 4. Vasemmanpuoleisen koneen ominaisuuksiin kuuluu se koneen toimintakykyä huonontava seikka, että ankkurikäämin synnyttämää magnetomotorista voimaa ns. ankkurireaktiota ei kompensoida. Summavirta aiheuttaa staattorin avonapaisuudesta huolimatta koneen vuon kääntymisen pois magneettinavoilta. Tästä aiheutuu monta hankaluutta. Koneen kommutaattori kipinöi, ja vääntömomentin tuottokykykin pienenee, koska ilmavälin vuo ja ankkurivirran mmv eivät olekaan enää kohtisuorassa. Vuon ja virtavektorin kohtisuoruus tuottaa sähkökoneissa parhaan vääntömomentin.

Tasavirtakoneen ominaisuuksia voidaan parantaa huomattavasti lisäämällä koneen staattorinapoihin ns. kompensointikäämit sekä magneettipiirin kehälle hiiliharjojen kohdalle kääntönavat. Näitten käämien tehtävänä on estää ankkurireaktion vaikutus. Siksi näissä käämeissä kierrätetäänkin juuri ankkurivirtaa. Oikeanpuoleinen vektoripiirros näyttää, miten kompensointikäämi ja kääntönapakäämi palauttavat koneen summavirran magnetointivirran suuntaiseksi. Tällainen kone toimii ihanteellisesti. Sen vääntömomentin tuottokyky on maksimissaan, koska vuo ja virtavektori ovat toisiaan vastaan kohtisuorassa.

Täysin kompensoitu tasavirtakone on sähköisiltä ominaisuuksiltaan erinomainen. Sitä on erittäin helppo säätää ja se onkin pitkään hallinnut vaativien sähkökäyttöjen aluetta suvereenisti. Ainoat huonot ominaisuudet täysin kompensoidussa tasavirtakoneessa ovat sen kallis hinta ja jatkuva hiiliharjojen ja kommutaattorin huollon tarve.

Tästä johtuen on 1970-luvulta asti ponnisteltu oikosulkumoottorikäyttöjen kehittämiseksi niin, että oikosulkumoottorin ja taajuudenmuuttajan l. invertterin avulla voitaisiin saavuttaa yhtä hyvät säätöominaisuudet kuin täysin kompensoidulla tasavirtakoneella. 1990-luvulla tapahtunut mikroprosessorin nopea kehitys ja prosessorin soveltaminen moottorin säätöön ovat tuoneet oikosulkumoottorikäytötkin ominaisuuksiltaan yhtä hyviksi kuin tasavirtakäytöt.

Oikosulkumoottori

Oikosulkumoottori on nykyaikaisen teollisuuden varsinainen työhevonen. Sen rakenne on yksinkertainen, luja ja äärimmäisen kestävä. Tämä sähkömoottori on laajasti standardoitu, ja kilpailevia valmistajia maailmassa on kymmenittäin. Tämä takaa sen, että oikosulkumoottoreita on aina saatavana asiakkaan tarpeisiin. Oikosulkumoottoreita tuotetaan normimoottoreina.

Alle 1000 V:n moottorien nimellistehot etenevät yleensä seuraavasti:

Teholtaan 630 kW:a suuremmat koneet valmistetaan yleensä suurjännitteille, mutta 690 V jännitteellä voidaan taajuudenmuuttajakäytöillä päästä jopa 5 MW:n tehoihin.

Verkkokäyttöisenä oikosulkumoottorin nopeus määräytyy sen napaluvusta. Oikosulkumoottori toimii parhaiten napaluvuilla 2, 4 ja 6. Napoja voi toki olla enemmänkin, mutta moottorin monet ominaisuudet alkavat heiketä napaluvun kasvaessa kuudesta. Kaksinapainen kone pyörii 50 Hz:n verkossa noin 3.000 rpm, nelinapainen 1.500 rpm ja kuusinapainen 1.000 rpm. Tästä havaitaan, että tarvittaessa muita pyörimisnopeuksia valittiin ennen tasavirtakone mutta nykyisin otetaan käyttöön taajuudenmuuttaja. Tällaisten moottorien hyötysuhde on teollisuuden kokoluokissa tyypillisesti 90 … 96 %. Pienimpien moottoreiden (1,1 kW … 11 kW) hyötysuhde on välillä 80 … 90 %.

Taajuudenmuuttajat ovat mahdollistaneet myös muiden moottorityyppien esiinmarssin. esimerkiksi ns. suurnopeuskoneet ovat monesti erikoisrakenteisia oikosulkumoottoreita, joilla on mahdollista saavuttaa helposti 10.000 … 20.000 rpm, mutta jopa 60.000 … 100.000 rpm. Induktiomoottori onkin parhaimmillaan nopeakäyntisenä koneena.

Hitaisiin käyttöihin sensijaan ovat tulossa ns. suoravetoiset kestomagneettitahtikoneet. Kestomagneettikoneen tapauksessa koneen ominaisuudet eivät heikkene moottorin napaluvun kasvaessa samalla tavalla kuin induktiokoneella.

Induktiomoottori voidaan tietysti varustaa vaihteella hitaita käyttöjä silmälläpitäen, mutta vaihteet monimutkaistavat rakennetta, vaativat öljyvoitelua, vievät tilaa, ja hukkaavat energiaa 1 … 2 % hammaskosketusta kohti. 

Oikosulkumoottori: toimintaperiaate

Oikosulkumoottorin toimintaperiaatetta hahmotellaan kuvassa 5. Staattoriltaan kone voidaan periaatteessa toteuttaa avonapaisena kuvan 5 tapaan. Roottori on aina pyöreä. Staattorin avonapojen vaihekäämejä syötetään kolmesta 120°:een ajallisessa vaihesiirrossa olevasta jännitelähteestä. Näin staattorin avonapaisiin käämeihin syntyy kuhunkin toisistaan 120°:een ajallisessa vaihesiirrossa olevat virrat. Koska avonavat sijaitsevat vielä fyysisesti 120°:een paikallisessa vaihesiirrossa, syntyy virtojen vaikutuksesta magneettikenttä, joka sisältää avonapaisuudesta huolimatta selvästi pyörivän komponentin – napoja magnetoidaan ikään kuin vuorotellen. Tällaisella systeemillä voidaan korvata aiemmin esillä olleet mekaanisesti pyöritettävät magneetit.

Roottorissa sijaitsee massiivisista metallisauvoista valmistettu oikosulkukäämitys. Koneen käydessä kuormassa staattorin pyörivä kenttä leikkaa roottorin sauvoja. Roottorin oikosuljettuihin virtapiireihin syntyy induktiovirta, kuten muuntajassakin syntyisi sen toision ollessa oikosulussa. Ilmavälivuo syntyy jatkossa staattori- ja roottorivirtojen yhteisvaikutuksesta. Koneen virrallisiin sauvoihin vaikuttaa vääntömomentti Lorentzin voiman perusteella.

Tyhjäkäyvä sähkömoottori kiihtyy nopeasti staattorin pyörivän vuon määräämään nopeuteen. Synkroninopeudella pyörivän roottorin sauvoihin ei enää indusoidu jännitteitä, sillä roottorin sauvat etenevät samalla nopeudella staattorin synnyttämän ilmavälivuon kanssa, eikä induktiota roottorisauvoissa voi siis tapahtua. Jos roottoria kuormitetaan, se alkaa jäädä jälkeen ilmavälissä pyörivästä vuosta, jolloin roottorin sauvat alkavat leikata taas ilmavälin vuoviivoja. Roottoriin syntyy sitä vääntömomentilla kuormitettaessa virtoja, jotka muodostavat lähes päinvastaisen magnetomotorisen voiman kuin staattorivirrat. Kuvissa näkyvät virtavektorit osoittavat tämän. Staattorin ja roottorin virtavektorien summa on koneen magnetointivirta, joka pitää yllä ilmavälin magneettivuota.

Huomaa, että kuvassa roottorin muodostaman sähkömagneetin navat ovat lähes vastakkaisessa asennossa staattorin magneettinapojen kanssa. Samannimiset navat hylkivät toisiaan, joten kone pyrkii kääntymään niin, että vierekkäiset navat olisivat erinimisiä. Roottorin kääntyessä staattorivirtojen vaihe etenee kuitenkin, ja niinpä roottori ei koskaan saa kiinni staattorin magneettinapoja. Kone tuottaa koko ajan vääntömomenttia.

Kun katsotaan tarkkaavaisesti virtavektoreita, huomataan, että niiden summa osoittaa melko lailla kohtisuoraan staattorin tai roottorin virtavektoria kohti. Tästä havaitaan, että epätahtikone tuottaa hyvin vääntömomenttia ainakin tässä tilanteessa. Koneen ilmavälissä esiintyvä vuo on pienellä jättämällä likimäärin kohtisuorassa staattori- tai roottorivirtavektoria kohti.

Kuva 5 Avonapainen ja umpinapainen epätahtikone ja koneitten virtojen vektoripiirrokset.

Avonapainen staattorirakenne on epätaloudellinen ja siksi epätahti- l. induktiokoneen staattoriin rakennetaankin ns. kolmivaiheinen urakäämitys. Urakäämityksessä staattorin kehällä olevat urat jaetaan sopivasti staattorin kaikille kolmelle vaihekäämille niin, että kolmivaihevirran kulkiessa staattori synnyttää taas pyörivän kentän. Kuvan 5 oikeanpuoleisessa koneessa staattorin virtojen hetkellisarvot ovat synnyttäneet samansuuntaisen summavirtavektorin kuin edellä olleessa avonapaversiossakin. Sileän ilmavälin tapauksessa koneen summavuo Φ_sum syntyy summavirran l. magnetoimisvirran suuntaan. Moottorin oikeassa puoliskossa kulkevissa urissa on juuri tällä hetkellä kaikissa katsojasta poispäin menevät virrat. U-vaiheen virta i1 on positiivisessa huippuarvossaan V ja W-vaiheitten virrat i2- ja i3 ovat vastaavasti sinikäyrillään puolet negatiivisesta huippuarvostaan, kuva 6.

 Kuva 6 Kolmivaihevirtojen tarkasteluhetki kuvan 5 koneessa.

Synkronikone - usein generaattori

Synkronikoneilla on perinteisesti kaksi käyttöalaa:

• teollisuuden raskaat käytöt
• voimalaitoksen generaattori

Suuret puunjalostustehtaiden hiomakoneita pyörittävät moottorit ovat tavallisesti tehoiltaan useita megawatteja ja kooltaankin suuria. Halkaisijat voivat olla useita metrejä. Tahtimoottoreita esiintyy sekä verkkosyöttöisinä että konvertterisyöttöisinä. Hidaskäyntiset koneet ovat monesti avonapaisia. Käyttösovellukset vaihtelevat puuhiomoista suuriin pumppuihin ja puhaltimiin. Nopeakäyntiset koneet ovat umpinapaisia, esimerkiksi Norjan maakaasua pumpataan kohti Eurooppaa nopeakäyntisillä LCI-syötetyillä n. 40 MW, 4000 min-1 umpinapaisilla tahtikoneilla. Suurin tehoelektroniikalla syötetty tahtimoottorikäyttö lienee ABB:n NASA:lle toimittama 101 MW:n LCI-käyttö tuulitunnelia varten. Mekein koko Imatrankosken voimalaitos tarvittaisiin pyörittämään tätä vehjettä.

Raskaat käytöt

Höyryvoimalaitoksissa suurimmat konetehot ovat jopa 1500 MW. Tällaisten koneitten pyörimisnopeus on usein 1000 tai 1500 min-1, ja koneet ovat umpinaparakennetta. Tällöin käytetään massiiviroottoria, joka kestää pitkänä ja ohuenakin suurta pyörimisnopeutta niin, ettei kriittisiä nopeuksia välttämättä ylitetä.

Olkiluodon kolmosvoimalan generaattorin roottorin halkaisija on 190 cm ja pituus 7.8 m. Roottori pyörii 1500 kierrosta minuutissa ja kehittää sähkötehoa huikeat 1793 MW. Generaattori on vetyjäähdytetty ja sen laskennallinen hyötysuhde on 98.81 %. Huikeita mittasuhteita kuvastaa myös se, että koneen magnetointiin tarvitaan 552 V:n tasajännitteellä 12128 A tasavirtaa. Tehoa magnetointiin kuluu siis noin 6.6 megawattia.

Generaattori

Vesivoimakoneet ovat tyypillisesti avonapaisia. Maailman suurin vesivoimalaitos sijaitsee Itaipussa Brasialian ja Paraguayn rajalla Paraná-joella. Kokonaisteho on 14000 MW, joka on jaettu 18:lle koneistolle. Voimalassa on 715 MW:n Francis-turbiinit. Putouskorkeus on 196 m, ja vesimäärä turbiinia kohti 700 m³/s. Näin suuren vesiturbiinin hyötysuhde on nimellisesti 93.8 %. Avonapakoneitten generaattorihyötysuhde on 98.6 %. Roottorihalkaisija on 16 m ja paino 2650 t. 50 Hz:n koneissa on 66 napaa ja näennäisteho 823.6 MVA (90.9 min-1) tehokerroin 0.85. 60 Hz:n koneitten vastaavat tiedot: 78 napaa, 737 MVA (92.3 min-1) 0.95. koneitten napajännite on 18 kV.

Dieselgeneraattoreitten tehot vaihteleva muutamasta megawatista muutamaan kymmeneen megawattiin. ABB:n koneet ovat avonapakoneita 4 ... 8 ... 12-napaisia (tyypillisesti suuren koneen maksiminopeus esim. 750 min-1, 8 napaa, 50 Hz)

Kestomagneettimoottori - uusi suunta

Uusin aluevaltaus synkronikoneissa ovat kestomagneettikoneet, jotka mahdollistavat synkronikoneen rakentamisen myös pienissä koissa.

Tavallinen vierasmagnetoinnilla varustettu kone on niin kallis, että yleensä käytännön tehoalue alkaa parista megawatista ylöspäin. Kestomagneettimoottori voi sensijaan kilpailla menestyksekkäästi pienten oikosulkumoottorikäyttöjen kanssa. Kestomagneettikone antaa oikosulkumoottoria paremman hyötysuhteen ja suuremman vääntömomentin samasta tilavuudesta, joten sitä voidaan yhä useammin soveltaa vaikkapa oikosulkumoottorin ja vaihteiston asemesta sellaisenaan.

Synkronimoottorin rakenne

Synkroni- l. tahtikone on kiertokenttäkoneista ominaisuuksiltaan monipuolisin ja kehittynein. Siitä tunnetaan useita eri versioita. Kuva 7 havainnollistaa tahtikoneen rakennetta ja toimintaa.

Kuva 7 Kuvan 1 alkeiskoneesta kehitetty avonapainen kolmivaiheinen tahtikone sekä oikealla runsaasti käytetty avonapainen synkronikone.

Käytännössä avonapainen synkronikone ei yleensä esiinny kaksinapaisena, vaan napoja on yleensä vähintään neljä. Tarkasteltaessa staattorin ja roottorin magneettinapoja huomataan, että vääntömomenttia syntyy napojen hylkimisen ja vetovoimien seurauksena. Vääntömomenttia syntyy myös avonapaisuuden seurauksena. Saadaan ns. reluktanssivääntömomenttia. Tahtikoneen roottorilla kulkee tasavirta ja staattorissa kolmivaiheinen vaihtovirta. Paras tulos saavutetaan rakentamalla tämänkin koneen staattori käyttäen urakäämitystä, kuten kuvan 7 oikeanpuoleisessa koneessa on tehty. Tahtikone muistuttaa rakenteeltaan sekä tasavirtakonetta että epätahtikonetta. Tasavirtakoneeseen verrattuna roottori ja staattori ovat vaihtaneet paikkaa. Tasavirtakoneen magnetoimiskäämi on yleensä staattorilla – tahtikoneessa yleensä roottorilla. Tahtikoneen staattori on vastaavanlainen kolmivaiheinen kiertokenttästaattori kuin epätahtikoneessakin.

Avonapakoneen yhteyteen on piirretty myös koneen virtavektorit sekä ilmavälivuon suunta. Epätahtikoneen tapauksesta poiketen vuo ei kulje summavirran suuntaan, vaan avonapaisuudesta johtuen huomattavasti summavektorista katsoen kohti roottorin pitkittäisasentoa. Koska staattorin ja roottorin virtavektoria voidaan säätää itsenäisesti, saadaan haluttaessa staattorivirtavektori ja ilmavälivuovektori toisiaan vastaan kohtisuoraan, jolloin vääntömomentin tuottokyky on tahtikoneessa parhaimmillaan. Kuvan 7 tapauksessakin staattorivirta ja ilmavälivuo sekä siten tietysti myös ilmavälikäämivuo ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan.

Koneesta on olemassa useita eri versioita. Kuva 8 esittelee sekä umpinapaisen tahtikoneen että kestomagneettitahtikoneen.

Kuva 8 Erilaisia tahtikoneversioita. Kaksinapainen umpinapainen tahtikone sekä kestomagnetoitu avonapainen tahtikone. Kestomagneetin pinnalla olevat napakengät tekevät koneesta magneettisesti avonapaisen. alla vas. kahdeksannapaisen kestomagneettikoneen roottori. Oikealla CD-rom-aseman pyörittämiseen käytettävä murtovakostaattorilla varustettu kestomagneettitahtimoottori.

Umpinapainen massiiviraudasta valmistettu kaksi- tai nelinapainen roottorirunko on yleinen nopeakäyntisissä turbogeneraattoreissa. Kone muistuttaa muodoltaan huomattavasti epätahtikonetta, mutta roottorin tasavirta viedään kuitenkin roottorille yleensä liukurenkailla eikä roottorivirta siis ole induktiovirtaa kuten epätahtikoneissa.

Roottorin magnetointivirta voidaan kestomagneettitahtikoneessa korvata kestomagneettien magnetomotorisen voiman avulla.

Synkroninen reluktanssikone

Tahtikone voidaan toteuttaa myös yksinkertaisesti synkronireluktanssikoneena. Tällöin roottorilla ei ole lainkaan käämitystä, vaan koneen vääntömomentin tuottokyky perustuu koneen roottorin reluktanssieroihin. Kone tuottaa ainoastaan reluktanssivääntömomenttia. Kuva 9 esittää synkronista reluktanssikonetta, jonka roottori on pyritty toteuttamaan niin, että reluktanssiero pitkittäisen ja poikittaisen akselin välillä olisi mahdollisimman suuri.

Kuva 9 Laminoidulla roottorilla varustettu synkronireluktanssikone ja oikean nelinapaisen koneen roottori. Roottori on valmistettu levyistä, joihin on stanssattu aukkoja l. vuoesteitä. Tällainen roottori saa koneen vuon kulkemaan pääasiassa roottorin rautaripojen l. pitkittäisakselin suunnassa. Reluktanssierojen seurauksena vuo on lähes pitkittäisakselilla, vaikka staattorivirtavektori on reilusti kääntynyt poikittaisakselin suuntaan.

Synkroninen reluktanssikone on ikäänkuin avonapainen tahtikone ilman roottorimagnetointia. Roottorin helpoiten magnetoitava suunta pyrkii asettumaan aina staattorin magnetoinnin suuntaan.