(Fr.: machine à courant continu; Du.: Gleichstrommaschine; Eng.: direct current machine), elektrische machine, bestemd om te worden aangesloten aan een gelijkspanningsnet of -bron.
De gelijkstroommachine heeft als belangrijke eigenschap dat de rotatiesnelheid op een eenvoudige en elegante wijze kan worden gevarieerd en is daardoor bij uitstek geschikt voor regelbare elektrische aandrijvingen in allerlei takken van de techniek. Waar men een werktuig met een nauwkeurig instelbaar toerental wil aandrijven en geen gelijkstroomnet ter beschikking staat, neemt men onder omstandigheden zelfs de kosten van een extra (statische of roterende) omzetter voor lief om een gelijkstroommotor te kunnen toepassen (zie Wardleonardschakeling).
Constructie en werking.
De stator van een gelijkstroommachine is een holle ijzeren cilinder, aan de binnenzijde waarvan zich een krans van magneetpolen bevindt. Meestal zijn deze van ijzer en ligt daaromheen een wikkeling waarin de bekrachtigingsstroom vloeit, die in de luchtspleet tussen de polen en de rotor een magnetisch veld opwekt. Opdat dit veld zich over een zo groot mogelijke oppervlakte zal uitstrekken, zijn de polen aan de zijde van de luchtspleet voorzien van bredere delen: de poolschoenen. In kleine machines (vermogen < 1 kW) zijn de polen soms permanent magnetisch. De rotor is cilindervormig, gelamelleerd en voorzien van axiale gleuven. Daarin liggen spoelen, waarvan de uiteinden verbonden zijn met de lamellen van een collector, die langs vaststaande borstels beweegt. Op de as kan verder nog een ventilator gemonteerd zijn. Het geheel bevindt zich binnen een stalen huis, dat soms een geheel vormt met de stator, en zo nodig is voorzien van (afgeschermde) openingen om de koellucht toe te laten.
Drijft men de machine met een constant toerental n aan, dan wordt in elke spoel op de rotor een spanning geïnduceerd, die evenredig is met de hoeksnelheid ωm, met de effectieve lengte van het actieve deel van de machine le, en met de magnetische inductie B ter plaatse van de geleiders waaruit de spoel bestaat. Doordat een spoel afwisselend gebieden passeert waar de vector B tegengesteld gericht is, wordt in de spoel een wisselspanning geïnduceerd. Een machine met 2p polen heeft meestal 2p (stellen) borstels, geplaatst op een onderlinge boogafstand van 180°/p en zodanig, dat de lamellen waartussen een spoel is aangesloten een borstel passeren op het ogenblik waarop de geleiders overgaan van het invloedsgebied van één pool naar dat van een naburige. Daardoor kan tussen twee naburige (stellen) borstels een gelijkspanning worden afgenomen. Anderzijds zal, wanneer de rotorwikkeling op een gelijkspanningsbron wordt aangesloten door de borstels om en om met een van de polen ervan te verbinden, er een stroom gaan vloeien in die wikkeling. Daar de rotor zich in het magnetische veld van de stator bevindt, ontstaat een moment dat de rotor in draaiing brengt. Door de beweging van de collector langs de borstels wordt de stroom in elke spoel weer op het juiste ogenblik omgekeerd, zodat het moment steeds dezelfde richting behoudt en de rotor blijft draaien. Voorts zie Elektrische machine; Collector.
Uit het voorgaande blijkt, dat iedere gelijkstroommachine in principe kan werken als motor én als generator.
Ankerreactie en commutatie.
Als er in de wikkeling op de rotor (in de praktijk meestal anker genoemd) een stroom loopt, wekt deze ook een magnetisch veld op in de luchtspleet, het ankerdwarsveld. Gedraagt het magnetische circuit in de machine zich lineair, dan is er geen magnetische koppeling tussen de ankerwikkeling (die vanaf de borstels gezien kan worden als een spoel met een vaste stand in de ruimte, bepaald door de stand der borstels) en de bekrachtigingswikkeling in de stator. Het veld van de rotorstroom heeft dan geen invloed op de grootte van de flux per pool Φ, die volgt uit de formule:
Φ = ∫−½ 𝜋/p ½ 𝜋/p B(⍺)leR d⍺
met R de buitenstraal van het anker en B(⍺) de (radiale component van de) magnetische inductie in de luchtspleet als functie van de omtrekscoördinaat ⍺, die wordt gemeten in radialen vanuit het midden van een pool. Doorgaans zal het ijzer in de machine echter verzadigingsverschijnselen vertonen, waardoor het verloop van de inductie B op een zodanige wijze wordt beïnvloed, dat Φ kleiner wordt naarmate de ankerstroom Ia toeneemt. Deze ankerreactie heeft een nadelig effect op het gedrag van de machine. Grote, zwaar belaste machines worden daarom soms voorzien van een compensatiewikkeling, bestaande uit staven die in axiale gleuven in de poolschoenen van de hoofdpolen zijn gelegd. De compensatiewikkeling is in serie geschakeld met de ankerwikkeling en zo gedimensioneerd, dat in elk punt onder de polen de inductie van het ankerdwarsveld wordt opgeheven, zodat de flux Φ constant blijft.
Van groot belang voor het gedrag van de machine is ook de commutatie, d.w.z. het omkeren van de stroomrichting in een spoel als de bijbehorende lamellen een borstel passeren. De spoel is daarbij enige tijd kortgesloten. Doordat de stroom verandert ontstaat tijdens het commutatieproces in de spoel een zelfinductiespanning, die het proces vertraagt. Om dit tegen te gaan zijn vrijwel alle grotere gelijkstroommachines voorzien van hulppolen: massieve of gelamelleerde ijzeren kernen, omgeven door een wikkeling, die ook in serie geschakeld is met de ankerwikkeling. Zij bevinden zich in de stator midden tussen de hoofdpolen zodat zij een magnetisch veld teweegbrengen op de plaats waar zich de commuterende spoelen bevinden. De bekrachtiging van de hulppolen moet zo sterk zijn dat het ankerdwarsveld ter plaatse van de commuterende spoelen wordt opgeheven en dat bovendien onder de hulppolen nog een ‘restveld’ overblijft, waarvan de fluxdichtheid zo groot is dat in deze spoelen door de beweging in het restveld een spanning wordt opgewekt, die voldoende is om de zelfinductiespanning op te heffen en de commutatie op de gewenste manier te doen verlopen.
Het commutatieproces en het ankerdwarsveld bepalen de belastingsgrens van gelijkstroommachines: wordt de stroomdichtheid door de borstels te groot, dan kunnen zich onder de borstels vonken vormen; wordt ten gevolge van het veld van de ankerstroom de magnetische inductie in de luchtspleet plaatselijk te groot, dan kan in de spoel die zich op de bewuste plaats bevindt een zo hoge spanning worden opgewekt, dat de isolatielaag tussen de bijbehorende collectorlamellen doorslaat; dit veroorzaakt rondvuur.
Vermogensomzetting.
Voor een gelijkstroommachine die is aangesloten aan een net en in stationair bedrijf verkeert, gelden de volgende betrekkingen tussen de netspanning U, de ankerstroom Ia (positief gerekend als de machine stroom uit het net opneemt), het moment (koppel) Te, en de rotatiesnelheid:
U = E + IaRa (1)
E = cωmΦ = knΦ (2)
Te = cIaΦ (3)
Hierin zijn c en k constanten die door de constructie van de machine bepaald zijn, is Ra de totale weerstand in de rotorketen en E de inwendig opgewekte spanning (in oudere literatuur ‘tegen-emk’ genoemd).
Voor het mechanische vermogen dat de machine levert (inclusief het wrijvingsverlies) geldt: Pmech = ωmTe = EIa; het elektrische vermogen dat het net aan de rotor levert is gelijk aan Pel = UIa ; uit vergelijking (1) volgt dan:
Pel = Pmech + Ia2Ra
Het ijzerverlies in de rotor is hierbij verwaarloosd. In de nullastsituatie (Ia = 0) is E = U; een onbelaste gelijkstroommachine draait dus met een toerental dat wordt bepaald door de netspanning en de flux die op haar beurt wordt bepaald door de bekrachtigingsstroom via de niet-lineaire magnetiseringskromme (zie Elektrische machine: afb. 4). Als de machine als motor werkt zijn Ia, Pel en Pmech positief, en dus moet E < U zijn; als de bekrachtiging constant is, gaat de machine daardoor langzamer draaien. Wordt E > U, dan keert Ia van richting om (Ia < 0); Te, Pel en Pmech worden dan ook negatief, en de machine remt af of werkt, als zij met een constant toerental wordt aangedreven, als generator. Het spanningsverlies in de ankerketen IaRa bedraagt als Ia de nominale waarde IN heeft 3...10% van de nominale spanning UN. Daarmee volgt uit vergelijking (1) dat indien een stilstaande machine (E = 0) zonder meer op de netspanning zou worden aangesloten, de stroom Ia ontoelaatbaar hoge waarden zou bereiken (10...30IN). Er moeten dus voorzieningen worden getroffen om bij het aanzetten de stroom te beperken.
Uitvoeringsvormen en eigenschappen.
De eigenschappen van een gelijkstroommachine worden in belangrijke mate bepaald door de wijze, waarop de bekrachtigingswikkeling is geschakeld ten opzichte van de rotorwikkeling. Men deelt de machines dan ook daarnaar in en onderscheidt als belangrijkste typen:
1. de onafhankelijk (‘vreemd’) bekrachtigde machine: de bekrachtigingswikkeling wordt uit een aparte spanningsbron gevoed, of de bekrachtiging geschiedt met behulp van permanente magneten;
2. de machine met shuntbekrachtiging (shuntmachine): de bekrachtigingswikkeling staat parallel aan de ankerwikkeling; in beide gevallen is de bekrachtigingsstroom klein in vergelijking met de ankerstroom;
3. de machine met seriebekrachtiging of seriemachine: de bekrachtigingswikkeling staat in serie met de wikkeling op de rotor;
4. de compoundmachine: deze heeft twee bekrachtigingswikkelingen, waarvan er een in serie met en een parallel aan de ankerwikkeling staat. Er bestaan verder nog enkele bijzondere typen, waarvan genoemd moeten worden:
5. de krämergenerator die voorzien is van drie bekrachtigingswikkelingen, nl. een shunt-, een serie- en een onafhankelijk gevoede wikkeling;
6. de machine met differentiaalbekrachtiging: om elke pool liggen twee gelijke bekrachtigingsspoelen, die tegen elkaar in zijn geschakeld en worden gevoed uit van de machine onafhankelijke bronnen; hierdoor wordt het magnetische veld in de machine bepaald door het verschil van de stromen in beide wikkelingen c.q. de spanningen, waarop deze wikkelingen zijn aangesloten; deze machines worden vooral toegepast in automatische regelingen. Een andere bijzondere groep vormen de dwarsveldmachines waarbij men juist geen maatregelen heeft genomen ter onderdrukking van de werkzaamheid van het ankerdwarsveld; hiervoor zie Amplidyne; Metadyne; Versterkermachine. In afb. 1 zijn de principeschema’s van de onder 1...6 genoemde schakelingen geschetst.
Karakteristieken.
Motoren.
Van een motor is van belang het verloop van de koppel-toerenkromme: de grafiek van het moment Te dat de machine ontwikkelt als functie van het toerental n. Uit de eerder gegeven vergelijkingen kan men voor elk type machine een betrekking tussen Te en n afleiden, wanneer het verloop van de flux Φ in afhankelijkheid van U, Ia en de bekrachtigingsstroom If bekend is (afb. 2).
1. Een onbelaste motor met shunt- of onafhankelijke bekrachtiging draait met een bepaald toerental n0 (hoeksnelheid ωm0). Wordt de motor belast dan daalt het toerental naarmate het belastingskoppel toeneemt, althans indien er geen ankerreactie optreedt. Is dit wel het geval dan kan het toerental op den duur weer groter worden bij toename van het koppel; dit verschijnsel is doorgaans ongewenst.
2. Het moment van de seriemotor vertoont een hyperboolachtig verloop: bij een hoog toerental ontwikkelt de machine slechts een gering moment, bij een laag toerental daarentegen is het moment groot. De seriemotor is ongeschikt voor toepassingen waarbij hij onbelast kan raken; het toerental wordt dan ontoelaatbaar hoog. Door het hoge aanzetkoppel is deze motor echter bij uitstek geschikt als tractiemotor.
3. De beide bekrachtigingswikkelingen van een compoundmotor zijn zodanig geschakeld, dat zij de hoofdpolen in de stator in dezelfde zin magnetiseren. De koppeltoerenkromme houdt daardoor het midden tussen die van een serie- en die van een shuntmotor; door de verhouding van het aantal ampèrewindingen van beide wikkelingen geschikt te kiezen kan iedere tussenvorm worden verwezenlijkt. Voorts zie Compoundmotor.
Generatoren.
Een generator wordt veelal gekarakteriseerd door zijn uitwendige karakteristiek, die het verband weergeeft tussen de klemspanning U en de belastingstroom I bij een constant toerental. De seriemachine is ongeschikt als generator, aangezien de belastingstroom (hier gelijk aan Ia) het magnetische veld en daarmee de opgewekte spanning bepaalt, zodat de machine niet in staat is in een net een constante spanning te handhaven. Bij een onafhankelijk bekrachtigde generator neemt U zolang er geen ankerreactie optreedt lineair af met I(= Ia) (afb. 3); de ankerreactie doet bij grote stromen deze afname sneller geschieden. De uitwendige karakteristiek van een shuntgenerator verloopt steiler doordat met het afnemen van de spanning ook de bekrachtigingsstroom en daarmee de flux kleiner wordt. Een beter horizontaal verlopende karakteristiek kan men realiseren bij een compoundgenerator als de ampèrewindingen van de seriewikkeling meewerken met die van de shuntwikkeling, zodat E groter wordt naarmate Ia toeneemt. Is U (nagenoeg) constant, dan noemt men de machine vlak gecompoundeerd. Voorts zie Compoundgenerator; Krämergenerator.
Regeling van het toerental; Aanzetten.
Een belangrijk kenmerk van een gelijkstroommotor is dat het toerental vrij eenvoudig kan worden gevarieerd of nauwkeurig ingesteld. In principe bestaan hiertoe drie methoden:
1. verandering van de spanning over de rotorketen;
2. verandering van de weerstand in de rotorketen;
3. verandering van de bekrachtigingsstroom, en daarmee van de flux Φ; deze drie methoden kunnen bij elk type gelijkstroommotor worden toegepast. De koppel-toerenkrommen die men aldus verkrijgt, zijn geschetst in afb. 4.
1. Als Φ constant is en de spanning bijv. verlaagd wordt, behoort bij dezelfde waarde van Ia (dus hetzelfde koppel) een lagere waarde van E (vergelijkingen (1) en (2)), dus een kleiner toerental n. Ter realisatie van dit principe bestaan drie mogelijkheden:
a. voeding van de motor vanuit een aparte generator, die een variabele spanning afgeeft; dit gebeurt bij de wardleonardschakeling; men gebruikt daarin een onafhankelijk bekrachtigde motor;
b. het wijzigen van de schakeling: als meer motoren hetzelfde werktuig aandrijven kan men ze eerst in serie, en vervolgens parallel schakelen; op die manier kunnen discreet toerentallen worden ingesteld (zie Elektrische tractie);
c. voeding van de ankerketen vanuit een gelijkstroomnet via een chopper, dan wel vanuit een driefasennet via een gestuurde gelijkrichter; de spanning kan dan continu gevarieerd worden.
2. Als men in serie met het anker een variabele voorschakelweerstand Rv plaatst, wordt de totale weerstand in de ankerketen groter, en daarmee ook de spanningval, nu gelijk aan Ia(Ra + Rv) (vergelijking (1)), zodat E en n kleiner worden als Φ constant is. De sturing van het toerental met behulp van een voorschakelweerstand is niet verliesvrij.
3. Aangezien IaRa << E is, zal bij een verandering van de flux Φ de variatie van E slechts gering zijn, ook al is Ia niet constant als Te wel constant blijft. Dientengevolge verandert met Φ ook het toerental n, en wel wordt n groter als Φ kleiner wordt. Daar men, o.a. ter beperking van de ankerstroom, de machine zal laten aanlopen met een zo sterk mogelijk veld, zal met deze methode slechts een verkleining van Φ dus een vergroting van n mogelijk zijn. Dit principe van veldverzwakking wordt bij een seriemotor verwezenlijkt door parallel aan de bekrachtigingswikkeling een (inductieve) weerstand te schakelen, en bij een shuntmotor door een weerstand in serie met die wikkeling te plaatsen (een shuntregulateur). Bij een onafhankelijk bekrachtigde machine bestaat ook de mogelijkheid de bekrachtigingswikkeling te voeden vanuit een chopper of een gestuurde gelijkrichter. Voor het aanzetten kan men de methoden 1. en 2. toepassen. Bij een motor in wardleonardschakeling of een motor die wordt gevoed vanuit een elektronische spanningsbron, is een gelijkmatige aanzet zonder meer te realiseren. Een motor die bestemd is om met een constante snelheid te draaien, is meestal voorzien van een aanzetweerstand in de ankerketen die bij het aanzetten vol ingeschakeld is, langzamerhand wordt verkleind, en uiteindelijk wordt kortgesloten.
Remmen.
De eenvoudigste manier om een gelijkstroommotor te laten afremmen is de netvoeding te onderbreken en de ankerketen aan te sluiten op weerstanden. De kinetische energie wordt dan door de machine, als generator werkend, geleverd aan de weerstanden, en daarin omgezet in warmte. Deze methode kan zowel bij serie- als shuntmotoren worden toegepast. Een andere methode is het ompolen van (alleen!) de ankerketen.