Significations et usages de elektromotor

  Elektromotoren

Een elektromotor is een machine die elektrische energie omzet in mechanische energie waarmee een werktuig kan worden aangedreven. Elektromotoren worden onderverdeeld in gelijkstroom- en wisselstroommotoren. Behalve de gebruikelijke motoren die een roterende beweging leveren, zijn er ook lineaire motoren. Een elektromotor wordt gebruikt in machines waar iets moet bewegen, vaak iets met een ronddraaiende beweging.

  Geschiedenis en ontwikkeling

  Principe

  Faradays experiment, rond 1821

  Jedliks motor (1827)

De omzetting van elektrische energie in mechanische energie door middel van elektromagnetisme werd voor het eerst gedemonstreerd door de Britse wetenschapper Michael Faraday in 1821.^[1] Bij zijn proef maakte het uiteinde van een vrij hangende geleider contact met een kwikplas waarin een permanente magneet was geplaatst. Op het moment dat door de geleider een stroom liep voerde de geleider een draaiende beweging rondom de magneet uit.

Deze elektromotor is de eenvoudigste uitvoering van de klasse van homopolaire motoren. Een verbeterde vorm hiervan is het wiel van Barlow. Vanwege hun primitieve constructie konden deze elektromotoren alleen voor demonstratieve doeleinden worden gebruikt. Voor eventuele praktische toepassingen zijn ze ongeschikt.

In 1827 begon de Hongaar Ányos Jedlik te experimenteren met elektromagnetisch draaiende toestellen die hij bliksem-magnetische zelf-rotor noemde. Hij gebruikte het apparaat voor instructieve doeleinden op de universiteit. In 1828 demonstreerde hij het eerste toestel dat de drie basiscomponenten van de gelijkstroommotor bevatte: stator, rotor en commutator. Ook zijn elektromotor had verder geen praktische toepassing, waarop zijn kennis in de vergetelheid raakte.

  Eerste elektromotoren

De eerste commuterende gelijkstroommotor die in staat was een werktuig aan te drijven werd in 1832 uitgevonden door de Britse wetenschapper William Sturgeon. In navolging van Sturgeons werk werd een verbeterde gelijkstroommotor gebouwd door de Amerikaan Thomas Davenport, met de bedoeling deze voor praktische doeleinden te gebruiken. Zijn in 1837 gepatenteerde elektromotor draaide met 600 omwentelingen per minuut en dreef lichte machinewerktuigen en een drukpers aan.

Vanwege de hoge kosten van de zinkelektrodes die gebruikt worden in de batterijen was zijn motor commercieel niet succesvol en Davenport ging failliet. Vele uitvinders volgden Stugeon en Davenport in de ontwikkeling van de elektromotor, maar allen liepen tegen hetzelfde probleem aan – de hoge kosten van energie uit batterijen.

De moderne gelijkstroommotor werd in 1873 bij toeval (her)ontdekt door Hippolyte Fontaine en Zénobe Gramme. Bij het parallel schakelen van twee Gramme-dynamo's ging de ene dynamo als motor functioneren, elektrisch aangedreven door de andere. De Gramme-machine groeide zo uit tot de eerste, succesvolle industriële elektromotor.

In 1888 vond Nikola Tesla de eerste praktische inductiemotor uit, die gevoed werd vanuit een tweefasige wisselstroomnet. Tesla zette zijn werk met de wisselstroommotor in de jaren daarna voort bij Westinghouse Company. Onafhankelijk van Tesla's onderzoek, ontwikkelde Michail Doliwo-Dobrowolski rond dezelfde tijd (1888) de asynchrone draaistroommotor met kortsluitanker.

  Werking

De werking van een elektromotor is gebaseerd op elektromagnetisme. De motor bestaat uit een stator en een rotor, die in de stator kan draaien. Van deze twee is er in elk geval één uitgevoerd als elektromagneet. Afhankelijk van het type motor kan de ander uitgevoerd zijn als permanente magneet, elektromagneet of slechts van magnetisch materiaal gemaakt zijn. Door de krachtwerking van magnetische polen op elkaar, of door inductiewerking, gaat de rotor draaien.

  Indeling

  Gelijkstroommotor met borstel

Zie gelijkstroommotor voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Om deze draaiing mogelijk te maken moeten bij een gelijkstroommotor met borstels de polen van de rotor omgekeerd worden bij elke halve omwenteling (of vaker als de rotor en/of stator uit meer dan twee delen, de collectoren, bestaan). Deze verandering van polariteit gebeurt door de commutator en koolborstels. De motor zal verder doordraaien als de richting van de stroom die er doorheen vloeit wordt omgekeerd.

  A: shunt
B: serie
C: compound

De motor kan zijn uitgevoerd als serie- of shuntmotor, waarbij de veld- en rotorspoelen respectievelijk in serie en parallel met elkaar geschakeld zijn. Ook een combinatie van beide is mogelijk, de z.g. compoundmotor.

  Borstelloze motor

Naast de gelijkstroommotor, die de windingen op de rotor heeft, is er ook een uitvoering waarbij de windingen op de behuizing of stator zijn geplaatst, en de magneten op de rotor. Er zijn dan geen koolborstels meer nodig, waardoor vonkvorming en slijtage (een probleem bij borstelmotoren) voorkomen wordt. Wel is het 'nog steeds' nodig de windingen op het juiste moment een stroom te laten dragen om een resulterend koppel te kunnen genereren. Dit wordt gedaan met elektrische commutatie. Veelal wordt dit gedaan met een Hall-sensor die de positie van de magneet/rotor meet en daarmee elektronica aanstuurt die de juiste polariteit op de windingen zet. Er zijn geïntegreerde oplossingen zodat een borstelloze motor net zo gemakkelijk als een gelijkstroommotor kan worden aangestuurd. Deze motoren noemt men ECM motoren (Electronically Commutated Motor).

  Temperatuur van de motor

Het grootste faalmechanisme van elektromotoren is het feit dat teveel warmte wordt gegenereerd. De temperatuur wordt te hoog waardoor de lagers het kunnen begeven, of de windingen kortsluiting kunnen veroorzaken, of dat de magneten permanent gedemagnetiseerd raken en daarmee hun kracht verliezen.^[2]

  Wisselstroommotor

  driefasige AC-motor met externe koeling

Zie draaistroommotor voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Een drie-fasen-wisselstroommotor kan bijzonder eenvoudig van constructie zijn doordat de commutator/koolborstel-constructie achterwege kan blijven. Dit is zo bij een kooiankermotor. Bij een sleepringankermotor wordt echter wel gebruikgemaakt van sleepringen en koolborstels (rotor). Door middel van een frequentieregelaar kan de snelheid van een kooiankermotor eenvoudig geregeld worden.

  Toepassingen

De elektromotor is tegenwoordig één van de meest gebruikte elektromechanische apparaten en wordt gebruikt in zeer veel huishoudelijke apparaten, van wasmachines tot videorecorders, van koelkasten tot stofzuigers. Ook in allerlei andere apparaten vinden we elektromotoren, zoals in de ventilator die de processor van een computer koelt, in harde schijven, in fotocamera's, in speelgoed, etc.

Daarnaast worden veel machines aangedreven door elektromotoren, evenals treinen, trams en zelfs schepen. Ook zijn er experimentele auto's en autobussen met een elektromotor die gevoed worden door brandstofcellen. De startmotor van een auto is ook een elektromotor en wordt gebruikt om de verbrandingsmotor te starten.

Ook in de industrie wordt op grote schaal gebruikgemaakt van, voornamelijk 3-fase, motoren voor de aandrijving van pompen, compressoren, lopende banden, kranen en andere hijstoestellen, roerwerken in tanks, luchtverversingsinstallaties, verbrandingslucht- en rookgastransport e.d.

Vooral een zware elektromotor genereert wanneer zij aangezet wordt enorme aanloopstromen. Deze zijn erg belastend voor het elektriciteitsnet. Soms kan dit zelfs waargenomen worden wanneer de elektrische omgevingsverlichting even tempert. Om deze “pieken” te voorkomen dan wel af te vlakken, wordt zo’n motor gestart met een aanloopinrichting.

Zie de categorie Electric motors van Wikimedia Commons voor meer mediabestanden.