(Fr: machine électrique; Du.: elektrische Maschine; Eng.: electric(al) machine), algemene benaming voor een werktuig dat ten minste een van de volgende energieomzettingen realiseert: omzetting van mechanische in elektrische energie (generator); omzetting van elektrische in mechanische energie (elektromotor); omzetting van elektrische energie in elektrische energie, waarbij de spanning en de frequentie of het aantal fasen worden gewijzigd (omzetter).
Soms wordt het begrip elektrische machine ook uitgestrekt over de (vermogens)transformator, die elektrische energie omzet in elektrische energie van een ander spanningsniveau, doch met dezelfde frequentie en hetzelfde aantal fasen. Er bestaat geen principieel verschil tussen motoren en generatoren; in principe kan een machine die als motor is ontworpen ook als generator werken, en omgekeerd.
Een omzetting van elektrische in mechanische energie of omgekeerd is alleen mogelijk in een machine, die in ieder geval bestaat uit een stilstaand en een bewegend deel; de meeste omzetters zijn ook volgens dit principe geconstrueerd. Men kan de machines ook indelen naar de aard van de beweging en onderscheidt dan:
1. roterende machines: het bewegende deel draait en wordt rotor genoemd, het stilstaande deel heet stator; dit type machine komt het meest voor;
2. lineaire machines: het bewegende deel voert een rechtlijnige beweging uit en wordt daarom translator genoemd;
3. vibratoren: het bewegende deel trilt; de vibrator, die alleen voor kleine vermogens wordt gebouwd (scheerapparaten), wordt bij de behandeling van elektrische machines meestal buiten beschouwing gelaten.
Behalve op de hiervoor genoemde manieren kan men de elektrische machines indelen naar het karakter van het net waaraan ze de elektrische energie ontnemen (motoren) of leveren (generatoren, omzetters). Er zijn dan drie hoofdgroepen: gelijkstroommachines, (eenfase)wisselstroommachines en draaistroommachines; zij betrekken energie uit of leveren energie aan resp. een gelijkstroomnet, een eenfasewisselstroomnet en een draaistroomnet. Elke hoofdgroep omvat weer verschillende typen en uitvoeringsvormen; het schema geeft een overzicht van de belangrijkste ervan. Anderzijds behoren de meeste omzetters tot twee hoofdgroepen tegelijk. Soms worden de eenfasewisselstroommachines en de draaistroommachines te zamen als wisselstroommachines aangeduid.
Principes van de werking.
De werking van vrijwel alle elektrische machines is gebaseerd op de krachten die optreden in een elektromagnetisch veld. Tweeërlei vormen van krachtwerking zijn daarbij van belang: de lorentzkracht die stroomvoerende geleiders ondervinden in een magnetisch veld, dat evt. door andere stromen wordt opgewekt; en de zgn. maxwellspanningen die werkzaam zijn aan een grensvlak tussen twee media met verschillende permeabiliteiten (zie Elektromechanica). In de meeste elektrische machines is de krachtwerking grotendeels terug te voeren op de maxwelltrekspanningen en slechts voor een klein deel op de lorentzkrachten. Desondanks wordt in veel literatuur de werking wegens de eenvoud der beschouwing zowel kwalitatief als kwantitatief verklaard aan de hand van het mechanisme van de lorentzkracht.
Onverbrekelijk verbonden met de krachtwerking, en van evengroot belang, zijn de inductieverschijnselen. Zij worden beschreven door de inductiewet van Faraday (afb. 1). Deze zegt dat er in een gesloten stroomkring C die een oppervlak A omsluit, zich bevindt in een magnetisch veld met fluxdichtheid B, en evt. daar beweegt met een snelheid v een elektromotorische spanning ontstaat die wordt gegeven door de betrekking:
e = − ∂/∂t ∫∫A B ∙ n dA + ∫C (v × B)τ ds
waarin τ de eenheidsvector langs de raaklijn aan C in de omlooprichting is en n de rechts cyclisch aan τ toegevoegde eenheidsvector loodrecht op A. Is de stroomkring een rechthoekige winding waarvan de kopverbindingen in het vlak door de vectoren v en B liggen, dan geldt:
e = − ∂Φ/∂t + 2vBl sin β
als β de hoek is tussen v en B, en Φ de door de winding omvatte magnetische flux is:
Φ = ∫∫A B ∙ n dA
Essentieel voor de werking is dus dat in de luchtspleet tussen de stator en het bewegende deel van de machine een zodanig magnetisch veld heerst, dat de krachten die het bewegende deel ondervindt te zamen bij lineaire machines een zo groot mogelijke kracht in de voortbewegingsrichting, en bij roterende machines, waartoe dit artikel verder wordt beperkt, een zo groot mogelijk moment ten opzichte van de as opleveren. Daarom maakt men de constructie zo, dat in het actieve deel van de machine een magnetisch veld wordt opgewekt waarvan de veldlijnen in vlakken loodrecht op de as liggen en in de luchtspleet radiaal verlopen. De geleiders worden in het actieve deel (ongeveer) evenwijdig aan de as gelegd, en maken dus een hoek van ca. 90° met de veldrichting. Om de maxwellspanningen zo groot mogelijk te maken is het van belang, behalve een geschikte constructie, materialen met een grote relatieve permeabiliteit toe te passen.
Algemene constructieve kenmerken.
De algemene principes van de constructie van elektrische machines hangen ten nauwste samen met het verloop van het magnetische veld dat men wenst te realiseren. Doorgaans wordt het primaire magnetische veld opgewekt door een bekrachtigingsstroom of magnetiseringsstroom. Soms is er een afzonderlijke bekrachtigingswikkeling (gelijkstroommachine, synchrone machine), soms is de magnetiseringsstroom een bestanddeel van de stroom die met de vermogensomzetting samenhangt (asynchrone machine, draaistroomcommutatormachine). In het eerste geval zijn twee configuraties mogelijk: geconcentreerde spoelen om ijzeren kernen (uitgebouwde of lichamelijke polen) en koperen staven, gelegd in axiale gleuven in een cilindrisch ijzeren lichaam, en aan de uiteinden met elkaar verbonden en tot spoelen verenigd. In synchrone machines voor (middel)groot vermogen bevindt de bekrachtigingswikkeling zich op de rotor; de overige machines met een aparte bekrachtigingswikkeling hebben deze in de stator. De hartlijn van de spoelen heeft steeds de radiale richting.
De poolkernen zijn vervaardigd van, meestal massief, ferromagnetisch materiaal om bij een bepaalde stroom een sterk magnetisch veld te verkrijgen. Om dit veld zich in de luchtspleet over een zo groot mogelijk oppervlak te doen uitstrekken, zijn de polen aan de luchtspleetzijde voorzien van bredere delen, de poolschoenen (afb. 2); deze zijn vaak gelamelleerd uitgevoerd.Vrijwel elke machine bevat geleiders, die ten opzichte van het primaire magnetische veld in relatieve beweging zijn. Bijna altijd liggen deze geleiders in gleuven, die bij synchrone machines met rotorbekrachtiging zijn aangebracht in het cilindrische binnenoppervlak van de stator, en bij de overige machines in hun eenvoudigste uitvoeringsvorm in het oppervlak van de cilindervormige rotor. Het deel van de machine waar deze geleiders liggen, noemt men anker. Het bestaat eveneens uit materiaal met een grote permeabiliteit, doch is ter beperking van het ijzerverlies gelamelleerd, d.w.z. opgebouwd uit dunne, loodrecht op de as geplaatste platen van dynamoblik die zijn samengeperst tot een stevig pakket.
Magnetische veldlijnen zijn altijd gesloten krommen. In de luchtspleet moeten dus langs de omtrek gebieden voorkomen waar de fluxdichtheid van de stator naar de rotor is gericht, en gebieden waar deze richting andersom is. Heeft een machine een aparte bekrachtigingswikkeling, dan worden daartoe de spoelen van de verschillende polen zodanig geschakeld, dat de bekrachtigingsstroom afwisselend magnetische noord- en zuidpolen doet ontstaan. Men kenmerkt een machine dan ook door het aantal paren polen p. De afstand tussen de hartlijnen van twee naburige polen heet de poolsteek τp. In een machine met p poolparen herhaalt het patroon van de fluxdichtheid in de luchtspleet zich langs de omtrek p maal; men zegt daarom wel dat de omtrek 360p ‘elektrische graden’ of 2𝜋p ‘elektrische radialen’ omvat.
Voor synchrone, asynchrone en draaistroomcommutatormachines bepaalt het aantal poolparen de rotatiesnelheid van de onbelaste machine bij een gegeven netfrequentie; bij gelijkstroom- en wisselstroomcommutatormachines bestaat er geen direct verband tussen deze beide grootheden. In gelijkstroommachines en synchrone machines met statorbekrachtiging staat het patroon van het magnetische veld stil; in synchrone machines met rotorbekrachtiging draait het met de snelheid van de rotor; men spreekt van een draaiveld.
Opdat een machine een zo groot mogelijk en in de tijd constant moment ontwikkelt, moeten de krachten die langs de omtrek verdeeld op het anker aangrijpen, zoveel mogelijk op elke plaats en op ieder tijdstip dezelfde richting hebben. Door geleiders, die (ongeveer) een poolsteek van elkaar vandaan liggen, tot spoelen te verenigen bereikt men dat onder een noordpool de stroomrichting tegengesteld is aan die onder een zuidpool, zodat de krachten dezelfde richting hebben (zie Elektromechanica). Om deze richting in de tijd constant te houden, moet in een gelijkstroommachine de stroom in de geleiders van richting omkeren bij de overgang van het invloedsgebied van een noordpool naar dat van een zuidpool of omgekeerd. De spoelen zijn daartoe verbonden met de lamellen van een collector, die langs vaststaande borstels beweegt. In feite vormt de combinatie borstels/collector een verzameling mechanische omschakelaars. Drijft men van een machine met polen in de stator de rotor aan dan ontstaat volgens de inductiewet in de spoelen op het anker een spanning, die wordt bepaald door de fluxdichtheid B ter plaatse van de geleiders waaruit de spoel bestaat. Het verloop van B als functie van de plaats komt tot uiting in het verloop van die spanning met de tijd. Door de uiteinden van de spoelen met een collector te verbinden bereikt men dat de polariteit van de spanning aan de borstels niet verandert. Verbindt men echter de spoelen met sleepringen die langs de borstels bewegen, dan kan men aan die borstels een wisselspanning afnemen met een frequentie, die wordt bepaald door de rotatiesnelheid en het aantal polen van de machine. Sluit men de keten dan gaat er een wisselstroom lopen met dezelfde frequentie. De stroom in een geleider wisselt even vaak van richting als deze geleider overgaat van het invloedsgebied van één pool naar dat van de volgende, zodat aan de voorwaarde voor een constant moment wordt voldaan. Hieruit volgt ook dat de machine bij aansluiting aan een wisselstroomnet met een gegeven frequentie slechts bij één bepaald toerental een moment kan ontwikkelen, waarvan de richting in de tijd niet verandert.
Door een geschikte vorm van de poolschoenen zorgt men dat de in de spoelen geïnduceerde spanning in de tijd sinusvormig varieert. In de praktijk bestaat de ankerwikkeling uit verscheidene spoelen, die in serie zijn geschakeld, doch zich op verschillende plaatsen langs de omtrek bevinden. De spanning aan de sleepringen verloopt dan ook sinusvormig in de tijd, maar de amplitude is kleiner dan het produkt van het aantal spoelen en de amplitude van de spanning in één spoel.
In een eenfasemachine zijn alle spoelen die zich binnen een boog ter lengte van 2 poolsteken langs de omtrek bevinden, in serie geschakeld. In een draaistroommachine is een dergelijke boog verdeeld in 6 gelijke segmenten ter grootte ⅓τP (= 60°/p). Alle geleiders in één segment vormen spoelen met de geleiders in een 180°/p daarvandaan gelegen segment (afb. 3); deze spoelen worden in serie geschakeld tot fasespoelen. De p fasespoelen die tot een zelfde fase behoren, worden in serie of parallel geschakeld tot drie fasewikkelingen. Van elke fasewikkeling is één uiteinde verbonden met een sleepring; de drie overige uiteinden zijn met elkaar verbonden tot een zgn. sterpunt. Door deze verbindingen op een geschikte wijze te maken verkrijgt men tussen de sleepringen en het sterpunt (en tussen de sleepringen onderling) drie wisselspanningen met een onderlinge faseverschuiving van 120°: een driefasensysteem.
Anderzijds geldt voor een dergelijke machine ook dat er, als men de sleepringen met een driefasennet verbindt, een toerental bestaat waarbij de beweging van de rotor op een zodanige wijze past bij de frequentie van de stromen, die dan gaan vloeien, dat op een bepaalde plaats onder een pool de stroom steeds dezelfde richting en grootte heeft. Het totale moment heeft daardoor steeds dezelfde richting; bovendien is het in tegenstelling tot bij de (eenfase)wisselstroommachine in de tijd constant.
Aan deze redenering verandert niets essentieels wanneer de bekrachtigingswikkeling zich op de rotor bevindt en de draaistroomwikkeling in de stator. Een constructief verschil is dat de uiteinden van de draaistroomwikkeling dan rechtstreeks met de klemmen zijn verbonden, terwijl de gelijkstroom voor de bekrachtiging via twee sleepringen op de rotor wordt overgebracht.
Ook de stromen in de ankerwikkeling (arbeidswikkeling) wekken een magnetisch veld op in de luchtspleet. Het verloop van de fluxdichtheid ervan is alleen op een relatief eenvoudige wijze te berekenen als men de situatie simplificeert.
Als het magnetische circuit in de machine zich lineair gedraagt kan de totale fluxdichtheid bij normaal bedrijf worden gevonden als de som van de bijdragen van het ‘primaire veld’ en het ankerveld. Vaak is echter het hieraan ten grondslag liggende superpositiebeginsel niet geldig doordat het ijzer, waaruit het magnetische circuit is opgebouwd onderhevig is aan verzadiging: de magnetische fluxdichtheid B neemt minder dan evenredig toe met de stroom die het veld opwekt (afb. 4). Een rechtstreekse analyse van het veldverloop is dan niet mogelijk.
In een gelijkstroommachine vormt de ankerwikkeling als het ware een spoel met een vaste stand in de ruimte, bepaald door de stand van de borstels. Staan deze in de zgn. neutrale stand, dan bestaat er geen directe magnetische koppeling tussen de ankerwikkeling en de hoofdpolen. Zou het ijzercircuit zich lineair gedragen, dan zou de totale flux per pool onafhankelijk zijn van de stroom in de ankerwikkeling (zie Ankerdwarsveld). Het verschijnsel dat ten gevolge van de verzadiging van het ijzer zo’n afhankelijkheid wel aanwezig is, staat bekend als ankerreactie.
Voor een draaistroommachine moet men ter beschrijving van het magnetische veld van de arbeidswikkeling zijn toevlucht nemen tot wiskundige hulpmiddelen als fourieranalyse. Men vindt dan dat, als sinusvormige wisselstromen met een onderlinge faseverschuiving van 360°/m vloeien in de fasewikkelingen van een symmetrisch opgebouwde m-fasenmachine, in de luchtspleet van die machine een veld ontstaat, waarvan de radiale component van de fluxdichtheid bij benadering als functie van de tijd t en de plaats wordt gegeven door de betrekking:
B(⍺s,t) = Bmax cos (p⍺s − ωt - φ)
waarin ⍺s een in radialen gemeten coördinaat langs de binnenomtrek van de stator is, ω de hoekfrequentie en φ de fasehoek op het tijdstip 0 zijn van de stroom in de wikkelingsfase, ten opzichte waarvan de oorsprong van ⍺s is vastgelegd. De amplitude Bmax hangt behalve van de (effectieve waarde van de) stroom af van het aantal windingen van één statorfase en de verdeling daarvan, van het poolpaartal p, wordt bij een gegeven stroom groter naarmate de permeabiliteit van het ijzer groter is en is verder omgekeerd evenredig met de breedte van de luchtspleet tussen stator en rotor. De formule voor B(⍺s, t) stelt ook een draaiveld voor: een sinusvormige verdeling die zich in de tijd verplaatst langs de omtrek met de hoekfrequentie ωs = ω/p = 2𝜋ƒ/p.
In een synchrone machine zijn de omloopsnelheden van het draaiveld en van de rotor gelijk. In de rotor doen zich daardoor geen inductieverschijnselen voor. Wel ontstaat een inductiespanning in de statorwikkeling eveneens met de hoeksnelheid ω. Een synchrone machine kan alleen bij deze rotatiesnelheid functioneren aan een net. De rotatiesnelheid van een onbelaste asynchrone machine is ook ω/p. Hier bevindt zich op de rotor geen onafhankelijk gevoede bekrachtigingswikkeling; het draaiveld van de statorstroom is het primaire veld.
Wordt de machine belast, dan ontstaat een verschil in rotatiesnelheid tussen het draaiveld en de rotor. Onder invloed van de dan in de rotorwikkeling geïnduceerde spanning gaan zodanig verdeelde stromen vloeien, dat de gewenste krachtwerking tot stand komt. Op hun beurt wekken deze stromen ook een draaiveld op dat ten opzichte van de stator met dezelfde snelheid omloopt als dat van de statorstromen, ongeacht de snelheid van de rotor. Is de belasting een passief werktuig, dan is de hoeksnelheid van de machine wat lager dan ωs (motorbedrijf); drijft men de machine aan met een hoeksnelheid die wat groter is dan ωs, dan wordt een tegenwerkend moment werkzaam, en ontstaat tussen de stroom in en de spanning over een statorwikkelingsfase een zodanige faseverschuiving, dat elektrisch vermogen aan het net wordt geleverd (zie Asynchrone machine). De werking van de meeste overige elektrische machines kan op een analoge wijze worden verklaard.
Het gedrag van een elektrische machine wordt beschreven door de spanningsvergelijkingen en de momentformule. De eerste geven het verband tussen de stromen die in de verschillende wikkelingen vloeien, en de spanningen over de klemmen van die wikkelingen. Ze hebben de algemene vorm; voor de stroomkring i:
ui(t) = Riii(t) + d/dt 𝜓i(t)
waarin Ri de ohmweerstand van de desbetreffende stroomkring is, en 𝜓i(t) totale magnetische flux, die ermee gekoppeld is. Een uitdrukking voor het moment kan men het best afleiden uit een vermogensbalans. De vermogensbalans, die men kan opstellen op grond van de wet van behoud van energie, luidt voor een elektrische machine algemeen:
Pel = Pdis + d(Wm + We)/dt + Pmech
waarin Pel het toegevoerde elektrische vermogen is (bij een generator is Pel < 0), Pdis de energie die ten gevolge van de verliezen in de machine per seconde in warmte wordt omgezet, Wm en We de energie, opgeslagen in het elektrische resp. het magnetische veld in de machine (de term d(Wm + We)/dt is bij een elektrische machine in stationair bedrijf gemiddeld over de tijd gelijk aan nul), Pmech het geleverde mechanische vermogen (inclusief het vermogen dat nodig is om het wrij vingsverlies in de lagers enz. te dekken; voor een generator is Pmech < 0). Door gebruik te maken van de spanningsvergelijkingen en van de relatie Pmech = ωmTe kan men uit de vermogensbalans een formule afleiden, die het elektromagnetische moment Te uitdrukt in de parameters van de machine, de voedingsspanning, en de mechanische hoeksnelheid ωm.
Langs een andere weg kan men echter ook afleiden de betrekkingen:
Pmech = CD2 ln cos φr
Te = C′D2 l cos φr
Hierin zijn D de binnendiameter van de stator, l de lengte van het actieve deel, n het toerental (60ωm/2𝜋) in omwentelingen per minuut, en φr de faseverschuiving, indien deze bestaat, tussen de in de ankerwikkeling geïnduceerde spanning en de stroom in die wikkeling (bij een gelijkstroommachine is |cos φr| = 1). De grootheid C is een functie van o.a. de magnetische fluxdichtheid B in het ijzer en de stroomdichtheid J in de geleiders. Om een optimale benutting van het materiaal te verkrijgen moeten B en J, waarvan de waarden in feite de specifieke belasting van het actieve deel der machine aangeven, binnen betrekkelijk nauwe grenzen liggen. Daardoor is het gebied, waarbinnen C varieert, beperkt: van C = 1 kW min m−3 bij machines voor klein vermogen tot C = ca. 6 kW min m−3 (als men waterstofkoeling toepast, tot meer dan 12 kW min m−3) bij machines voor groot vermogen. Hieruit volgt dat de diameter en de lengte van het actieve deel van de machine maatgevend zijn voor het koppel dat zij levert. In de talrijke gevallen waar het toerental n op grond van overwegingen van andere aard van te voren wordt vastgelegd zijn de lengte en de diameter tevens maatgevend voor het vermogen.
Verliezen.
Een goede bekendheid met de verliezen die in een belaste machine optreden, is van groot belang voor de bepaling van het rendement van de machine en de temperatuurverhoging, die deze tijdens bedrijf ondergaat. Ofschoon het rendement (de verhouding van het na de energieomzetting nuttig beschikbare vermogen tot het toegevoerde vermogen) van een elektrische machine in vergelijking met bijv. een verbrandingsmotor relatief hoog is, kan het verliesvermogen vooral bij grote machines in absolute waarde aanzienlijk zijn. In een machine met een vermogen van 10 MW en een rendement 0,95 komt per seconde 500 kJ aan verlieswarmte vrij.
Uit de dimensieformule volgt dat bij dezelfde waarde van C (dus o.a. een gelijkblijvende specifieke belasting van het materiaal) een vergroting van alle lineaire afmetingen met een factor k het moment en het vermogen doet toenemen met een factor k3. Ook het totale verlies neemt dan met een factor k3 toe, terwijl de oppervlakte die warmte aan het koelmiddel kan overdragen, slechts een factor k2 groter wordt. De enorme stijging, in de laatste 10...15 jaar, van het maximale vermogen, waarvoor elektrische machines (in het bijzonder turbogeneratoren voor de elektriciteitsopwekking; momenteel tot ca. 1,4 GVA) kunnen worden gebouwd, is dan ook slechts mogelijk geweest enerzijds dank zij in elektromagnetisch opzicht steeds uitgekiendere ontwerpen (hoger rendement) en toepassing van ingenieuzere koeltechnieken (grotere specifieke belasting mogelijk), anderzijds doordat voortdurend nieuwe isolatiematerialen werden ontwikkeld die beter bestand zijn tegen hoge temperaturen.
Verliesbronnen.
De verliezen die in elektrische machines optreden worden in verschillende categorieën ingedeeld (NEN 3173).
1. IJzerverliezen.
Deze treden op in die delen van de machine, waar de fluxdichtheid B in de tijd verandert. Men onderscheidt wervelstroomverlies, evenredig met B2 en met het kwadraat van de frequentie ƒB waarmee B verandert, en hysteresisverlies, evenredig met ƒB, en Bk met 1,5 < k < 4, afhankelijk van het materiaal. Ter beperking van het ijzerverlies moeten de bewuste delen van de machine worden gelamelleerd.
2. Koperverlies.
Hieronder verstaat men het ‘jouleverlies’, dat ontstaat in geleiders, waarin stromen vloeien. Het volgt uit: PCu = ∑ I2iRi gesommeerd over alle circuits in de machine; Ii is de (effectieve waarde van de) stroom in circuit i, Ri de weerstand zoals die door meting met gelijkstroom kan worden bepaald.
3. Wrijvingsverlies in de lagers en bij machines met een collector en/of sleepringen ten gevolge van de beweging daarvan langs de borstels.
4. Ventilatieverlies ten gevolge van de beweging van de lucht in de machine. Hiertoe behoort het onvermijdelijke verlies, dat optreedt doordat de lucht in de luchtspleet in beweging wordt gebracht als de rotor draait binnen de stator, maar ook het vermogen, dat nodig is om de lucht (c.q. het gas) voor de koeling door de machine te laten circuleren.
5. Elektrisch verlies in en bij de borstels, indien deze aanwezig zijn; dit verlies is ongeveer evenredig met de stroom door de borstels.
6. Bijkomend verlies, ook wel extra verlies genoemd. Hiermee bedoelt men het totale verlies ten gevolge van secundaire effecten, met als voornaamste bijdrage het bijkomende koperverlies als gevolg van het skineffect.
Verwarming en koeling.
De vrijkomende verlieswarmte wordt door de delen van de machine opgenomen en via het oppervlak ervan aan de omgeving afgegeven. Het is belangrijk te weten welke temperatuurstijging de delen der machine daardoor ondergaan, en hoe deze kan worden beperkt; een te sterke verwarming leidt nl. tot bekorting van de levensduur van de machine wegens versnelde degeneratie van het isolatiemateriaal, waardoor dat op den duur onbetrouwbaar wordt. De norm NEN 3173 deelt de isolatiematerialen in klassen in naar gelang de temperatuurverhoging die ze bij continu bedrijf mogen ondergaan, waarbij gewaarborgd moet zijn dat de machine bij die temperatuur een aanvaardbare levensduur heeft (gesteld op ca. 10 jaar). Wordt deze temperatuurverhoging overschreden, dan gaat de levensduur exponentieel omlaag (halveringswaarde ca. 8 K overschrijding).
Het warmtetransport naar de omgeving vindt plaats door geleiding (transport binnen één medium, in dit geval naar de oppervlakte), door straling (onbelangrijk) en door convectie (transport door stromende gassen en/of vloeistoffen). Wat het laatste betreft kon men bij de eerste machines volstaan met koeling door de onder invloed van de ontstane temperatuurverschillen langsstromende lucht (natuurlijke convectie); met het stijgen van het vermogen moest men overgaan tot het installeren van ventilatoren om de stroming van het koelmedium te bevorderen (gedwongen convectie). Tegenwoordig moeten alle grotere machines zo gekoeld worden om de bedrijfstemperatuur te beperken. Men onderscheidt daarbij nog machines met eigen koeling, d.w.z. dat de ventilator aangedreven wordt door de as van de machine, en met afzonderlijke koeling waarbij de aandrijving door een onafhankelijk van de hoofdmachine werkende motor geschiedt. De grootste machines hebben een meervoudig koelsysteem waarbij het in de machine circulerende primaire koelmiddel in een warmtewisselaar zijn warmte afstaat aan een secundair.
De eigenschappen van een koelsysteem worden bepaald door de soort koelmiddel, de aard (laminair of turbulent) van de stroming en de vorm en afmetingen van het koelende oppervlak. Van het koelmiddel zijn van belang de dichtheid, de soortelijke warmte bij constante druk, de soortelijke warmtegeleidingscoëfficiënt en de dynamische en kinematische viscositeit.
Bij geforceerde koeling met lucht wordt deze langs de delen van de wikkeling buiten het magnetische circuit, door de luchtspleet en door axiale en radiale koelkanalen in het ijzer geblazen. Voor grote generatoren is dit niet toereikend en moet men andere koelmiddelen gebruiken; de belangrijkste ervan zijn vermeld in tabel 1 (zie afb.). De grootste machines worden direct gekoeld, d.w.z. de geleiders worden hol gemaakt en het primaire koelmiddel wordt erdoorheen geleid.
Toepassingen.
Elektrische machines hebben een aantal algemene eigenschappen die ze voor vele toepassingen geschikt maken:
1. het rendement is betrekkelijk hoog (als het vermogen niet te klein is zeker meer dan 80%);
2. het geluidsniveau is betrekkelijk laag;
3. ze produceren geen schadelijke gassen;
4. van vele typen kan de rotatiesnelheid op een elegante wijze worden gevarieerd;
5. de constructie is compact en stevig, waaruit voortvloeien een grote slijtvastheid (afgezien van de borstels van machines met een collector of sleepringen) waardoor weinig onderhoud en toezicht nodig zijn, alsmede een gunstige verhouding tussen de massa en het geleverde vermogen.
Elektrische machines voor klein vermogen, bijv. voor huishoudelijke apparatuur, vormen vaak een geïntegreerd bestanddeel van het apparaat dat ze aandrijven. Voor grotere machines bestaan, afhankelijk van de wijze van opstelling en koppeling met het werktuig of de aandrijver, verschillende bouwvormen, vastgelegd in de IEC-norm 34-7 (enkele voorbeelden in tabel 2 (zie afb.)).
De constructie van het omhulsel van een machine (het ‘huis’) moet waarborgen dat de mens bij zijn ‘normale omgang’ ermee geen letsel kan oplopen, terwijl anderzijds de vitale delen van de machine moeten worden beschermd tegen de (mogelijke) schadelijke gevolgen van het binnendringen van stof, vreemde voorwerpen, water en corrosieve dampen. De mate van beveiliging hiertegen wordt aangegeven door de graden van bescherming, vastgelegd in de norm NEN 10034-5 (NBN 197), en kan variëren van in het geheel geen bescherming tot een volledige afdichting, zodat het fijnste stof niet in contact kan komen met delen binnen het huis en andere delen die onder spanning staan, evt. zelfs zodanig dat de machine bestand is tegen volledige onderdompeling.
Bij het installeren van een machine moet men zorgen voor een adequate beveiliging tegen de gevolgen van netstoringen, overbelasting, enz., alsmede tegen de gevolgen van fouten in de machine zelf, zoals aardfouten (zie Beveiliging elektrische machines). Tevens moeten bij grotere motoren en omzetters in het algemeen bijzondere maatregelen worden genomen om het gedrag tijdens het aanzetten te beheersen, enerzijds om het net te vrijwaren van ontoelaatbaar hoge pieken in de stroom, anderzijds om de machine en eventueel het werktuig te beschermen tegen destructieve gevolgen van te grote stromen en de daarmee samenhangende krachten.