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

Principe 

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. 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 
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 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 
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.

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

Gelijkstroommotor met borstel 

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.

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 

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
De 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.

Wisselstroommotor 

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 
 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. 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.