Elektrische Motoren

Tegenwoordig zijn de elektrische motoren niet meer weg te denken uit het dagelijks leven. Veel toepassingen zoals bijvoorbeeld de nieuwe elektrische auto worden aangedreven met elektromotoren, maar ook bijna elke transportband wordt aangedreven met een elektromotor. Hoe werkt een elektrische motor precies en wat voor onderdelen zitten er in een elektromotor?

Wat is een elektromotor?

Een elektromotor is een motor die door middel van elektrische energie een as kan laten draaien. Elektriciteit wordt omgezet in beweging en warmte. Begin 19e eeuw kwam de mens met de eerste elektromotoren. Sindsdien zijn de elektromotoren al snel beter en krachtiger geworden. Bij de motoren wordt onderscheid gemaakt tussen gelijkstroom- en wisselstroommotoren.
In de techniek worden er verschillende soorten elektrische motoren gebruikt en deze zullen ook uitgebreid behandeld worden in dit artikel. Deze motoren zijn:

• De asynchrone motor
• De synchrone motor
• De borstelloze gelijkstroommotor
• De gelijkstroommotor met borstels

De asynchrone motor

Deze motor wordt gevoed door 3 spanningsbronnen die ieder zijn eigen spanning genereert. Deze bronnen zijn 120 graden in fase verschoven ten opzichte van elkaar om daarmee een constante vermogensuitwisseling te realiseren. Een constante vermogensuitwisseling betekend dat bij een constant toerental een constant koppel geleverd kan worden. Een voordeel van de 3-fases is dat de motor direct op het elektriciteitsnet aangesloten kan worden. Een nadeel van het direct aansluiten op het elektriciteitsnet is dat de snelheid van de motor niet meer geregeld kan worden.

De stator (het stilstaande deel van de motor) bestaat uit 3 uit fase verschoven spoelen die gevoed worden door 3 bronnen.

De rotor (het ronddraaiende deel van de motor) bestaat eveneens uit spoelen. Deze spoelen zijn kortgesloten en ook 120 graden in fase verschoven. De spoelen zijn kortgesloten omdat deze dan door middel van de stator spanning op kunnen wekken. Door deze opgewerkte spanning wordt er een stroom opgewekt die een magnetisch veld opwekt. De motor kan draaien omdat het magnetisch veld van de rotor zich probeert te richten naar het magnetische statorveld.

Elk type motor heeft een hoeksnelheidsvoorwaarde. De hoeksnelheidsvoorwaarde is het verband tussen de verschillende hoeksnelheden die veroorzaakt worden door de verschillende magneetdraaivelden in de motor. Zoals eerder beschreven heeft de asynchrone motor 2 magnetische velden, namelijk het rotordraaiveld, het statordraaiveld. Deze resulteren beiden in een hoeksnelheid. Een andere hoeksnelheid is de mechanische hoeksnelheid. Dit is hoe hard de rotor mechanisch ronddraait. De hoeksnelheid van de rotor (ωr), de hoeksnelheid van de stator (ωs) en de mechanische hoeksnelheid (ωm) staan in verband met elkaar middels de formule: ωs = ωr + ωm. Dit wordt de hoeksnelheidsvoorwaarde genoemd.

Zoals al eerder vermeld hangt de grootte van het magneetveld van de rotor af van het verschil in hoeksnelheid van het statorveld en de mechanische hoeksnelheid. Bij een hogere hoeksnelheid van de rotor gaan de zelfinducties van de spoel invloed hebben. Dit resulteert in een kleine terugwerkende kracht op de mechanische hoeksnelheid. Dit wordt de slip genoemd.

Deze motor heet een asynchrone motor omdat de mechanische rotor hoeksnelheid afwijkt van de hoeksnelheid van het statordraaiveld als de motor koppel moet leveren. Hoeveel deze afwijking bedraagt is afhankelijk van het gevraagde koppel.

Synchrone motor

De stator van een synchrone motor heeft dezelfde opbouw als een asynchrone motor. Namelijk ook 3 spoelen die 120 graden in fase verschoven zijn. De rotor is wel anders. De rotor van een synchrone motor is een permanente magneet of een elektromagneet. Het magneetveld van de rotor wordt constant gehouden en probeert zich steeds te richten naar het magneetveld van de stator. De snelheid van de rotor wordt weer de mechanische hoeksnelheid genoemd. Bij een elektromagneet kan gebruik gemaakt worden van borstels of sleepringen om de rotor te bekrachtigen. Bij een permanente magneet is dit niet nodig en heeft de rotor al een magneetveld.

De hoeksnelheidsvoorwaarde voor een synchrone motor is ωs = ωm . Dit is te verklaren omdat de mechanische hoeksnelheid van de rotor gelijk is aan de hoeksnelheid van de stator. Ook heeft de rotor zelf geen eigen opgewekt magneetveld dus ωr is gelijk aan 0.

Als de synchrone motor geen gebruik maakt van borstels om de rotor te bekrachtigen speken we van een borstelloze gelijkstroommotor.

De gelijkstroommotor met borstels

De gelijkstroommotor met borstels is gelijk aan de synchrone motor met enkele kleine verschillen. Bij de gelijkstroommotor met borstels is zowel de stator als rotor uitgevoerd als elektromagneet. Het statormagneetveld is constant qua richting. Het magneetveld van de rotor moet ook constant gehouden worden en dit wordt gedaan door mechanische commutatie. Bij mechanische commutatie wordt continu een gedeelte van de wikkelingen van de rotor omgepoold zodat deze weer aangetrokken kunnen worden door het statorveld.

De hoeksnelheidsvoorwaarde van een gelijkstroommotor met borstels is ωr = ωm, omdat het statorveld ( ωs) 0 bedraagt.

Wisselspanning

Het verschil tussen een gelijkstroom (DC = direct current) en een wisselspanning (AC = alternating current) motor is de aansturing. Doordat er een 3-fase aangeboden wordt, zijn borstels overbodig. Bij een wisselspanningsmotor draait de stroomrichting automatisch om zodat hier geen commutatie hoeft plaats te vinden. Voorbeelden van een wisselspanningsmotor zijn een asynchrone en synchrone motor. De snelheid van een wisselspanningsmotor kan geregeld worden door middel van een frequentieregelaar. Deze bepaald de stroom die de motor krijgt en dus ook de snelheid waarmee de motor gaat draaien.