Elektromotor
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.
Geschiedenis en ontwikkeling
bewerkenPrincipe
bewerken
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 een homopolaire motor. 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
bewerkenDe 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 Sturgeon 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 tweefasig 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
bewerkenDe 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.
Iedere elektromotor werkt ook als dynamo, de draaiende motor wekt stroom op. Deze stroom werkt de voedingsstroom tegen.
De weerstand van een elektromotor hoeft niet bijzonder hoog te zijn en bij het inschakelen zal er dan ook een hoge stroom gaan lopen. De motor gaat nu draaien en als dynamo werken. De opgewekte stroom loopt in tegengestelde richting en de nettostroomsterkte wordt dus minder. In het ideale geval zal de motor op volle snelheid gaan draaien, de opgewekte stroom is gelijk (maar tegengesteld) aan de voedingsstroom en er loopt helemaal geen stroom meer. In de praktijk, en vooral als de motor belast wordt, zal de motor iets langzamer draaien, waardoor de opgewekte stroom iets lager is dan de voedingsstroom.
Houdt men de motor vast, zodat hij niet kan draaien, dan kan de voedingsstroom tot gevolg hebben dat de motor in rook opgaat.
Tijdens het opstarten loopt er door een motor dus een hogere stroom dan tijdens het bedrijf (de aanloopstroom). Een zware motor wordt daarom soms met een lagere spanning opgestart, vaak met een ster-driehoekschakeling, en op een trage zekering aangesloten.
Indeling
bewerkenGelijkstroommotor met borstel
bewerken
Zie gelijkstroommotor voor het hoofdartikel over dit onderwerp.Om de draaiing van de motor 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 stator uit meer dan twee delen, de collectoren, bestaat). Deze verandering van polariteit wordt verzorgd door de commutator en koolborstels. De motor zal verder doordraaien als de richting van de stroom die erdoorheen vloeit, wordt omgekeerd.
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.
Seriemotor
bewerken
Bij de seriemotor staat de bekrachtigingsspoel in serie met de ankerwikkeling. Deze seriewikkeling is opgebouwd uit weinig windingen van dik koperdraad. De specifieke eigenschap van deze motor is dat het toerental omgekeerd evenredig is met het koppel, ofwel hoe lager de belasting hoe sneller het anker zal draaien. Daarom mogen seriemotoren nooit onbelast gebruikt worden, omdat de motor dan op hol zal slaan. De seriemotor wordt toegepast waar hoge aanloopkoppels worden vereist, zoals als tractiemotor in elektrische treinen en trams. Ook de startmotor in de auto is een seriemotor. Veel handgereedschappen zoals boormachines gebruiken ook seriemotoren. Als basisbelasting wordt daar gebruikgemaakt van een ventilator, die tevens voor koeling zorgt.
Shuntmotor
bewerken
Bij de shuntmotor staat de bekrachtigingsspoel parallel met de ankerwikkeling. Deze shuntwikkeling is opgebouwd uit veel windingen van dun koperdraad. De eigenschappen van de shuntmotor komen overeen met die van de onafhankelijk bekrachtigde motor. De shuntmotor wordt voornamelijk toegepast in machines die werken met een constant toerental bij wisselende belastingen, zoals hijskranen en liften, alsmede bij aandrijvingen waar het toerental geregeld moet worden.
Compoundmotor
bewerkenDe compoundmotor is een combinatie van de twee bovengenoemde motoren; hij bezit zowel een serie- als een shuntbekrachtigingswikkeling. De eigenschappen van deze motor liggen tussen die van de serie- en de shuntmotor in.
- Gecompounde seriemotor: Sterk serieveld met een zwak shuntveld geeft een motor met een hoog aanloopkoppel zonder het risico dat de motor op hol slaat. Het aanwezige shuntveld voorkomt dit.
- Gecompounde shuntmotor: Sterk shuntveld met een zwak serieveld geeft shuntmotor met een groter aanloopkoppel dan de standaard shuntmotor. Nadeel is dat het toerental afneemt bij toenemende belasting. Daarom wordt bij dit type motor nadat de motor is aangelopen, de seriewindingen kortgesloten.
- Tegengecompounde motor: Sterk shuntveld met een tegengesteld zwak serieveld zorgt dat bij een toenemende belasting het toerental altijd constant blijft.
Onafhankelijk bekrachtigde motor
bewerkenBij motoren met onafhankelijke bekrachtiging wordt de bekrachtigingsspoel - die zorgt voor het bekrachtigingsveld - gevoed uit een aparte spanningsbron, zodat deze onafhankelijk van de ankerspanning geregeld kan worden. Omdat het bekrachtigingsveld van deze motor onafhankelijk is van de belasting, zal het toerental bijna constant blijven bij een toenemend koppel. Wel moet ermee rekening gehouden worden dat het toerental zal toenemen (motor versnelt) bij het verzwakken van de bekrachtiging, waarbij de motor op hol zal slaan, als de bekrachtiging wegvalt.
Borstelloze motor
bewerken Zie Borstelloze elektromotor voor het hoofdartikel over dit onderwerp.Er zijn ook elektromotoren waarin de commutatie elektronisch geregeld is. Deze borstelloze elektromotoren hebben geen koolborstels, waardoor vonkvorming en slijtage (een probleem bij borstelmotoren) voorkomen wordt. Zo'n motor noemt men ook wel ECM-motor (Electronically Commutated Motor).
Warmteontwikkeling
bewerkenDe meest voorkomende oorzaak van falen van elektromotoren is een te grote warmteontwikkeling. De temperatuur van de motor wordt te hoog, waardoor de lagers het kunnen begeven, de windingen kortsluiting kunnen veroorzaken of de magneten permanent gedemagnetiseerd raken en daarmee hun kracht verliezen.[2]
Wisselstroommotor
bewerken Zie draaistroommotor voor het hoofdartikel over dit onderwerp.Een driefasenwisselstroommotor 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
bewerken
De elektromotor komt in zo veel apparaten voor en is zo vanzelfsprekend geworden, dat men er niet meer bij stilstaat dat er een elektromotor in zit of dat het woord elektromotor zelfs geheel ontbreekt in de beschrijving van een apparaat. Voorbeelden:
- huishoudelijke apparaten: wasmachine, wasdroger, koelkast, stofzuiger, naaimachine, scheerapparaat, elektrische tandenborstel, haardroger, ventilator, sommige klokken
- keukenapparatuur: keukenmachine, citruspers, handmixer, blender, staafmixer, koffiemolen, afzuigkap, magnetron, ijsmachine
- klusgereedschap: boormachine, schaafmachine, schuurmachine, decoupeerzaag
- tuingereedschap: bladblazer, kettingzaag, heggenschaar, verticuteermachine, grasmaaier, cirkelmaaier
- elektronica: computer, harde schijf, printers (inktjetprinter, laserprinter), flatbedscanner, kopieerapparaat, fax, elektrische typemachine
- speelgoed: elektrische modeltrein, modelvliegtuig, modelhelikopter, robot, drone
- audiovisuele apparatuur: grammofoon (platenspeler), jukebox, cd-speler, videorecorder, cassetterecorder, fotocamera, filmcamera, walkman
- in openbare gebouwen (winkels, kantoren, ziekenhuizen, bibliotheken): automatische schuifdeur, draaideur, lift, roltrap, boenmachine
- woningen: mechanische ventilatie, traplift, garagedeur, zonnescherm, rolluiken, hekken en poorten.
Verschillende beroepen hebben hun eigen apparatuur: bakker (broodsnijmachine, kneedmachine), slager (vleeswarensnijmachine, gehaktmolen), tandarts (tandartsboor), scharenslijper (elektrische slijpmachine). In de medische sector worden gebruikt: beademingsapparaat, hart-longmachine, slangenpomp, insulinepomp, centrifuge.
Daarnaast worden veel vervoersmiddelen aangedreven door elektromotoren, bijvoorbeeld de trein, tram, elektrische auto, elektrische scooter en motor, elektrische scootmobiel en rolstoel, elektrische fiets, Segway, hoverboard en schepen zoals fluisterboot, onderzeeboot, elektrische speedboot.[3] Ook zijn er experimentele auto's, autobussen en vliegtuigen met een elektromotor die gevoed wordt door brandstofcellen. De startmotor van een auto met verbrandingsmotor (benzine/diesel) is ook een elektromotor en wordt gebruikt om de verbrandingsmotor te starten. De moderne luxe auto is uitgerust met een stuk of 15 elektromotoren: startmotor, voor het open en sluiten van de vier ramen, het bijstellen en in/uitklappen van de twee buitenspiegels, 2 of 3 ruitenwissers, ruitensproeierpompje, elektrische stuurbekrachtiging, airco en cd-speler.
Ook in de industrie wordt op grote schaal gebruikgemaakt van, voornamelijk 3-fasemotoren 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, een grote aanloopstroom. Deze is erg belastend voor het elektriciteitsnet. Soms veroorzaakt dit zelfs een momentane tempering van de elektrische omgevingsverlichting. Om deze “pieken” te voorkomen, dan wel af te vlakken, wordt zo’n motor gestart met een aanloopinrichting.
- ↑ (en) The Development of the Electric Motor The Spark Museum (Bezocht 25 oktober 2009). Gearchiveerd op 2 juni 2023.
- ↑ (en) Artikel over berekening motor-temperatuur
- ↑ Nederlands bedrijf lanceert luxe elektrische speedboot geraadpleegd 27 februari 2017
Externe links
