Wanneer zich een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld bevindt, zal hij een kracht ondervinden, die loodrecht staat op de stroomrichting en loodrecht op het veld. Deze kracht wordt lorentzkracht genoemd.
Alle electromotoren berusten op dit verschijnsel, dat de motor doet draaien.I. WISSELSTROOMMOTOREN.
Deze zijn te splitsen in twee typen.
a. Synchrone motoren. Wanneer men door de machine een wisselstroom stuurt, zal er op de windingen een lorentzkracht uitgeoefend worden, die telkens (per halve periode) van richting omkeert, zodat de gemiddelde kracht gelijk nul is. Wanneer de winding nu echter reeds zo snel draait, dat in de tijd waarin de lorentzkracht van richting verandert (d.i. dus per halve periode) hij juist een halve slag gedraaid is, dan zal de lorentzkracht op de winding steeds een koppel in dezelfde zin uitoefenen en de machine zal blijven draaien en arbeid kunnen leveren. Wij hebben dus een motor, die slechts een toerental kan hebben, dat overeenkomt met de frequentie van de wisselstroom. We spreken daarom van een synchrone motor.
De constructie van de driephasen synchrone motor komt bijna geheel overeen met die van de wisselstroomgenerator. De driephasen-wisselstroom, die aan de driephasenwikkeling van de stator toegevoerd wordt, doet een cirkelvormig draaiveld ontstaan. Dit draaiveld heeft evenveel polen als het poolrad. Roteren draaiveld en poolrad nu even snel, dan zullen de polen van het draaiveld die van de rotor vasthouden en aldus de rotor meenemen. Wanneer echter, bijv. door overbelasting, de rotor achterblijft, zal het draaiveld de rotor niet kunnen vasthouden, waardoor de machine onmiddellijk stopt. Men zegt dan, dat de machine uit de pas valt. Het toerental van de synchrone machine blijft onder normale omstandigheden precies gelijk aan dat van het draaiveld. Daar de frequentie constant gehouden wordt, is het toerental dus ook constant. Hieruit volgt, dat het toerental van de motor onafhankelijk is van de belasting. Dit is voor allerlei toepassingen van groot belang. Het nadeel is echter, dat hij niet uit zichzelf aanloopt. Men moet hem dus door middel van een hulpmachine of door middel van een asynchrone (kooi-) wikkeling op toeren brengen. Tevens is voor deze motoren gelijkstroombekrachtiging van het poolrad nodig. Deze wordt meestal, evenals bij de generator, geleverd door een op de as aangebrachte shuntdynamo. Uit de aard der zaak zijn deze motoren niet geschikt voor toepassingen, waarbij de snelheid te veranderen moet zijn.
Bij eenphase synchrone motoren heeft men geen draai-, doch een wisselveld. In tegenstelling met de driephasen synchrone motor, is de draairichting van de eenphasige geheel willekeurig. Zij hangt uitsluitend af van de richting, waarin men vooraf de motor op snelheid brengt. Het is niet mogelijk, de machine asynchroon te laten aanlopen, omdat de eenphase asynchrone motor ook niet vanzelf aanloopt. Eenphase synchrone motoren komen weinig voor. Synchrone motoren worden slechts daar toegepast, waar een absoluut constant toerental bij elke belasting vereist wordt. Tevens worden zij gebruikt om de arbeidsfactor van het bedrijf te verbeteren, daar de cos tp van deze machines, door middel van de bekrachtiging, geregeld kan worden.
b. Asynchrone motoren. De asynchrone of inductiemotoren berusten op het verschijnsel, dat het statorveld in de rotorwikkeling een spanning induceert, die een stroom door de kortgesloten wikkeling doet gaan. Deze inductiestromen ondervinden ten gevolge van het statorveld lorentzkrachten, waardoor (tenminste indien het statorveld een draaiveld is) de motor gaat draaien en mechanische energie kan afgeven. Het toerental van dit draaiveld kan verschillende waarden bezitten al naar het aantal polen. Voor ieder poolpaar is een driephasenwikkeling noodzakelijk. Denkt men zich de rotor nu te bestaan uit één draaibare kortgesloten winding, dan zal het draaiveld in deze kortgesloten winding een stroom induceren. Deze stroom zal bij stilstaande motor dezelfde frequentie hebben als het net. De stroomvoerende winding zal een lorentzkracht ondervinden, die de winding doet draaien in dezelfde zin als het draaiveld. De snelheid van de winding kan niet dezelfde worden als die van het draaiveld, daar dan geen inductiestroom opgewekt zou worden en er dus geen lorentzkracht meer zou zijn. Het toerental zal dus iets lager (ca 2-7 pct) zijn dan het synchrone (vandaar de naam asynchroon). Dit verschil, uitgedrukt in procenten van het synchrone toerental, noemt men de slip. In de practijk maakt men van meer windingen gebruik, zodat de motor dan geen dood punt meer heeft.
De stator. De stator bevat de wikkelingen, die het draaiveld opwekken. Deze liggen in gleuven in het statorpakket. Dit is ter verkleining van wervelstroom- en ommagnetiseringsverliezen van dunne ijzeren plaatjes vervaardigd al of niet voorzien van ventilatiegaten en/of -spleten. De gleuven zijn van binnen bekleed met leatheroïd of prespaan, terwijl de spoelkoppen op dezelfde wijze geïsoleerd worden als bij de generatoren. Het geheel wordt goed geïmpregneerd en daarna gelakt. De uiteinden van de wikkeling worden naar buiten gevoerd, zodat zij op het klemmenbordje in ster of driehoek geschakeld kunnen worden, al naar de beschikbare spanning, of voor sterdriehoekschakeling gebruikt kunnen worden.
De rotor kan op verschillende wijzen uitgevoerd worden. Hij bestaat eveneens uit een pakket ijzeren plaatjes al dan niet voorzien van ventilatiegaten, waarin de wikkeling is aangebracht. Bij de kortsluitrotor zijn rondom in de gleuven van dit pakket koperstaven aangebracht, welke ter weerszijden met elkaar verbonden zijn door kortsluitringen. Deze verbindingen zijn meestal gesoldeerd, of, bij uitvoering in aluminium, zijn vaak de staven mèt de kortsluitringen in hun geheel als één stuk gegoten. Het geheel wordt gelakt. Deze motoren (zgn. kortsluitmotoren) zullen dus bij inschakeling vanzelf aanlopen. De lorentzkracht is evenredig met de stroomsterkte in het veld. Ten gevolge van de grote zelfinductie van de rotorwikkeling zal bij het aanlopen de stroom sterk bij de spanning naijlen. Het koppel, dat dan ontwikkeld wordt, is klein, doch in vele gevallen voldoende om de motor te doen aanlopen. Kortsluitmotoren moeten dus nagenoeg onbelast aanlopen. Wanneer de motor op toeren is, zullen in de rotor stromen geïnduceerd worden van lage frequentie, nl. die van het verschil tussen het synchrone en het asynchrone toerental, de zgn. slipfrequentie. De zelfinductie heeft dan minder invloed en de weerstand overheerst, ten gevolge waarvan de rotorstroom een kleine phasehoek met de rotorspanning zal maken en het koppel gunstig beïnvloed wordt. Bij grotere belasting zal het toerental iets verminderen. De slip wordt iets groter. De inductiestromen worden groter en het koppel neemt toe. Het toerental is dus niet constant, maar de vermindering met toenemende belasting is slechts gering.
Men kan het aanloopkoppel van een draaiveldmotor vergroten door de phaseverschuiving tussen rotorspanning en rotorstroom te verkleinen. Dit doet men door in de rotorkring tijdens het aanlopen weerstand op te nemen. Tevens wordt door deze weerstand de aanloopstroom, die bij het inschakelen ontoelaatbaar groot kan worden, beperkt. De rotor wordt dan uitgevoerd met een driephasenwikkeling, die in ster geschakeld is. De uiteinden worden dan door middel van sleepringen naar buiten gevoerd en verbonden met een aanzetweerstand. Bij stilstand schakelt men hiermede weerstand in de rotorkring. Hierdoor wordt de aanloopstroom verkleind, terwijl dan toch het aanloopkoppel groter is geworden. Bij het op toeren komen van de motor wordt de aanzetweerstand successievelijk uitgeschakeld. Bij vol toerental wordt de aanzetweerstand dus slechts gebruikt als een kortsluitbrug van de rotorwikkeling. Daar echter de rotorweerstand vergroot wordt door de borstelsleepringweerstand en de weerstand van de verbindingsdraden, zodat de slip en de verliezen groter worden, brengt men meestal een kortsluitinrichting aan, die de wikkeling vóór de sleepringen doorverbindt. Daar de borstels dan geen nut meer hebben en slechts wrijvingsverlies veroorzaken, worden deze dan meteen afgelicht. Dergelijke rotoren noemt men aanloopsleepringankers met kortsluit-borstelafhefinrichting. De wikkeling van dergelijke rotoren moet tegen de centrifugaalkracht beschermd zijn.
Een derde type rotor is de zgn. dubbelkooi- of Boucherot-rotor. Deze bevat twee kortgesloten wikkelingen, ieder vervaardigd op dezelfde wijze als de kooiwikkeling van de gewone kortsluitrotor. Deze constructie dient om grotere motoren direct te kunnen inschakelen, zonder dat het aanloopkoppel te klein en de aanloopstroom te groot wordt. De buitenste kooi bestaat uit dunne staven en heeft dus een grote weerstand, terwijl de zelfinductie door de constructie klein is gehouden. De binnenste kooi daarentegen heeft dikke staven, dus een kleine weerstand, maar een hoge zelfinductie.
Wanneer de motor ingeschakeld wordt, zal in beide kooien een spanning geïnduceerd worden. Ten gevolge van de hoge rotorfrequentie zal de stroom door de binnenste kooi, die een grote phaseverschuiving heeft, klein zijn, daar de wisselstroomweerstand van deze wikkeling bij stilstaande motor groot is. Door de buitenste kooi echter, die een kleinere wisselstroomweerstand heeft, zal een sterke stroom vloeien, die een geringe phaseverschuiving heeft, doordat de weerstand groot is ten opzichte van de zelfinductie. Het aanloopkoppel zal dus goed zijn en de aanloopstroom beperkt. Naarmate de motor op toeren komt, zal de zelfinductie minder en de weerstand meer invloed krijgen, daar de rotorfrequentie afneemt. Bij asynchroon toerental zal de stroom door de buitenste kooistaven te verwaarlozen zijn, en die in de binnenkooiwikkeling sterk zijn aangegroeid. Deze doet dan ook dienst voor het leveren van het bedrijfskoppel, terwijl de buitenste kooi een verbeterde aanloop geeft.
Ongeveer hetzelfde resultaat is te verkrijgen, als men slechts één kooi aanbrengt, maar de gleuven smal en heel diep maakt, waarbij dan het onderste deel van de staven eerst na het aanzetten in werking komt. Het voordeel van deze typen inductiemachines is, dat zij zeer bedrijfszeker en eenvoudig te bedienen zijn en weinig onderhoud behoeven. Dit geldt in het bijzonder voor de kortsluit- en Boucherot-typen. Deze hebben bovendien het voordeel, dat nergens vonkvorming kan optreden, daar zowel sleepringen als collectoren ontbreken. Zij worden dan ook steeds toegepast in explosieve ruimten, bijv. in de mijnen. De bouw is hecht en ze zijn nagenoeg onverwoestbaar, terwijl zij niet, zoals sommige soorten gelijkstroommotoren „er vandoor kunnen gaan”.
Het draaiveld voor dergelijke asynchrone motoren, is behalve door een driephasenstatorwikkeling, ook wel te verkrijgen door een eenphasewikkeling, (op een gewoon wisselstroomnet aan te sluiten) in de statorgleuven aan te brengen, mits men daarin ook nog onderbrengt een hulpwikkeling, die, doordat men in de stroomkring van die statorwikkeling een extra zelfinductie (spoel) of een condensator aanbrengt, een stroom uit het net ontvangt, die aanmerkelijk afwijkt in phase van de stroomdoordehoofdwikkeling. Bij het aanlopen is de hulpwikkeling ingeschakeld en nu geeft de samenwerking van de magnetische velden van beide wikkelingen wel geen cirkelvormig draaiveld, zoals bij een driephasenwikkeling, maar toch een veld, elliptisch draaiveld geheten, dat vaak voldoende is om de motor te doen aanlopen. Nadat de motor op volle snelheid is gekomen, wordt de hulpwikkeling afgeschakeld en de motor loopt dan asynchroon verder.
Dit is dus iets ingewikkelder dan dat men een driephasenmotor met kooianker neemt, maar men kan deze laaste motoren op elk lichtnet aansluiten (mits ze niet te veel pk uitoefenen en dus te grote stroom opnemen) zodat ze voor stofzuigers, huishoudmotoren enz. nogal in gebruik zijn gekomen, daar men nu de bezwaren van de toepassing van collectormotoren ontgaat.
Indien men bij asynchrone motoren de snelheid naar believen wil kunnen regelen, moet men ze met sleepringanker construeren en, nadat ze zijn aangezet, zoveel weerstand in de rotorketen schakelen, dat de motor, om zijn koppel nog te kunnen uitoefenen, vertraagt, totdat door de grotere slip de inductie zo hoog is geworden, dat deze nodige stroom in de rotorwikkeling vloeit. Men kan op deze wijze bij driephasenmotoren met de snelheid ca 60 pet naar beneden regelen; is nog sterkere snelheidsvariatie nodig, dan moet men tot het gebruik van collectormotoren overgaan.
2. GELIJKSTROOMMOTOREN
Wanneer wij door de winding een gelijkstroom sturen, zal deze winding een lorentzkracht ondervinden, die haar om haar as zal doen draaien. Wanneer echter het windingsvlak 90° gedraaid is en dus loodrecht op het veld staat, zal de lorentzkracht ophouden te werken. Ten gevolge van de traagheid zal de machine een weinig doordraaien. De borstels, die op de commutator rusten, zullen dan op de andere lamellen komen te staan, met het gevolg, dat de stroom omkeert. De lorentzkracht zal dus weer een koppel in dezelfde zin als te voren leveren. Er is dus een voortdurend koppel in dezelfde zin. De machine kan als motor lopen. Deze motoren zullen uit zichzelf aanlopen. Het veld kan door een permanente magneet opgewekt worden. Magneto’s kunnen dus als motor draaien. In de practijk worden zij echter niet toegepast. Evenals bij de dynamo’s kan het veld ook door electromagneten opgewekt worden. Men zal uit de aard der zaak geen afzonderlijk bekrachtigde motor gebruiken. Evenals de dynamo’s heeft men drie uitvoeringen, (serie-, shunt- en compoundmotor), terwijl de constructie gelijk is aan die van de dynamo’s. Men kan dezelfde machine dus willekeurig als motor of als dynamo laten werken.
Bij de shuntmotor (zal het toerental bij toenemende belasting iets afnemen, terwijl de motor er van door gaat, wanneer de veldkring door enig toeval stroomloos wordt, terwijl de ankerwikkeling onder spanning blijft. De snelheidsregeling geschiedt nagenoeg verliesvrij door in veldstroomketen een regelweerstand op te nemen. Om het aanloopkoppel groot te doen zijn, moet de motor met sterk veld aanlopen. Daar bij directe inschakeling de stroomstoot te groot zou zijn, laat men de motor door middel van een in de ankerketen opgenomen aanzetweerstand aanlopen.
De seriemotor zal, doordat bij toenemende belasting de stroom, die ook door de veldwikkeling loopt, toeneemt, een sterker veld ontwikkelen en dus een lager toerental verkrijgen, m.a.w. de seriemotor regelt zijn toerental naar de belasting. Hij wordt toegepast voor tractie, liften, ventilatoren enz. Men moet echter oppassen, dat de belasting niet kan wegvallen, daar dan de stroom klein en dus het veld zwak wordt en de motor er vandoor gaat. Het aanlopen geschiedt weer door middel van een aanzetweerstand, terwijl de snelheidsregeling eveneens door middel van een in serie geschakelde regelweerstand of door een parallel op het veld geschakelde regelbare shuntweerstand plaatsvindt.
De compoundmotor houdt het midden tussen de shunt- en de seriemotor en men kan desgewenst een van de beide eigenschappen laten domineren. Men kan door de seriewikkeling en de shuntwikkeling eikaars veld te laten versterken, beletten, dat de motor op hol slaat bij sterke belastingsvermindering. Schakelt men de beide velden tegen elkaar in, en geeft men slechts weinig seriewindingen, dan kan men de snelheid van de compoundmotor, ongeacht de belasting, constant houden. Bij sterke belastingsstoten bestaat dan echter het gevaar van op hol slaan. Betreffende commutatie, ankerreactie en constructie wordt naar de gelijkstroomgenerator verwezen, daar precies dezelfde verschijnselen optreden.
3. UITVOERINGEN
Al naar gelang van het doel van de motoren, zal hun uitvoering verschillen. De typen daarvan zijn de volgende:
a. Open uitvoering. Dit is de gebruikelijkste vorm. Zij wordt overal toegepast, waar de machines in een reine, droge omgeving staan.
b. Druipwaterdichte uitvoering. Bij deze uitvoering is het binnendringen van vreemde voorwerpen en loodrecht vallende waterdroppels vermeden. Dit kan men verkrijgen door nergens in de motoromhulling aan de bovenzijde ventilatie-openingen aan te brengen, of deze met een kap af te dekken.
c. Geventileerd gesloten uitvoering met buisaansluiting. Deze uitvoering is bijzonder geschikt voor stoffige, vochtige of chemische bedrijven. De voor de motor benodigde koellucht wordt niet zoals bij de open of druipwaterdichte uitvoering uit de bedrijfsruimte zelf aangezogen, doch door buizen, die verbonden zijn met een droge, stofvrije ruimte, waarin geen aantastende dampen kunnen binnendringen, zodat de motor niet vervuilen kan en niet door vocht of chemische dampen aangetast kan worden.
d. Geheel gesloten uitvoering. Daar waar men de buisaansluiting niet kan toepassen, of bijv. voor motoren, die veel verplaatst moeten worden en steeds in sterk vervuilde omgeving staan, past men de geheel gesloten uitvoering toe. Deze motoren kunnen ook gebruikt worden in de buitenlucht, indien men ze zorgvuldig zodanig construeert, dat regenvlagen geen aanleiding geven tot het binnendringen van vocht.
e. Explosievrije uitvoering. Hierbij zijn die delen, waar vonkvorming kan onstaan, als collectoren en sleepringen, hermetisch ingekapseld. Dergelijke motoren kunnen ook op zeeschepen aan dek gebruikt worden; overslaande golven kunnen ze dan weerstaan. In explosieve ruimten kan men ook vonkvrije kortsluitmotoren en Boucherot-motoren opstellen.
4. BEDRIJFSSTORINGEN
In de eerste plaats komt het zgn. verbranden van de machine voor, d.w.z. dat ten gevolge van de te hoge belasting de isolatie verkoolt en het koper eventueel smelt. Bij collectormachines kan het vonken aan de collector ook tot bedrijfsstoring leiden. De asynchrone motoren en speciaal de kortsluit- en de dubbelkooimotoren, zijn het meest bedrijfszeker, ook ten aanzien van het kapotslaan van de wikkelingskoppen en het uiteenrukken van de ankerpakketten door de centrifugaalkracht bij te hoge snelheden, daar de asynchrone motoren nooit boven het synchrone toerental kunnen uitkomen. Zij worden dan ook verreweg het meest toegepast. Storingen kunnen echter velerlei oorzaken hebben, zodat hierop niet nader zal worden ingegaan.
Lit.: C. Feldmann, Electrotechnische constructie (4 dln, Delft 1927-’33); C. L. van der Bilt, Beknopt handboek der Electrotechniek, 5de dr. (Delft 1947); Die Wechselstromtechnik (Berlin 1936 en volgende jaren), Hrsg. von S. L. La Cour; Arnold-La Cour, Die Gleichstrommaschine etc., Bd I—III, 3. Aufl. (Berlin 1919-1927); H. S. Hallo, Leerboek der electrische tractie, dl I—II (Delft 1923-1924); R. Drucker en J. R. G. Isbrücker, Leerboek der Electrotechniek, 4 dln (2de-4de dr. Rotterdam 1937-’41); R. Richter, Elektrische Maschinen 4 Bd (Berlin 1924-1936); F. Punga und O. Raydt, Drehstrommotoren mit Doppelkafiganker und verwandte Konstruktionen (Berlin 1931); M. Hobart, Electric Motors; their theory and construction, 3rd ed., 2 Vol. (London 1923); G. V. Christie, Electrical Engineering, 5th ed. (New York- London 1938); H. de Pistoye, Etude mécanique et usinage des machines électriques (Paris 1924); A. Manduit, Machines électriques, 3e ed. (Paris 1922); R. Langlois-Berthelot, Les machines asynchrones à champs toumants, à bagues et à collecteur, 2e ed. (Paris 1934).
ELECTRON
is een negatief geladen elementair deeltje (lading -16,0.10-20 coulomb; massa 9,10.10-28 gram). In ieder atoom omzwermt een bepaald aantal electronen de veel zwaardere positieve kern (z atoom, atoommodel). Ze zijn ook uit het atoomverband vrij te maken en in die toestand ontdekt door J. J. Thomson in 1897.
Veel zeldzamer komen positieve electronen of positonen voor, die bijv. door kosmische straling kunnen ontstaan (Anderson 1932), maar snel weer verdwijnen door vereniging met een negatief electron, een zgn. dematerialisatieproces. Volgens een gewaagde, maar vruchtbare hypothese van Dirac is een positon op te vatten als een onbezette plek in een steeds aanwezige oneindige verzameling van gewone electronen met negatieve energie. In het vervolg betekent electron slechts de gewone stabiele negatieve electronen.
Vrije electronen kunnen onderzocht worden in het luchtledige als electronenstraal. Ze kunnen uitgaan van een radioactief preparaat (bêtastralen), maar kunnen ook uit iedere gewone stof vrij gemaakt worden door belichting met kortgolvig licht (foto-electronen) of door temperatuurverhoging (z gloeikathode), of door andere processen, bijv. ionenbombardement (z gasontlading). De straal wordt meestal versneld door de plaats van herkomst op sterk negatieve potentiaal te brengen; vandaar de naam kathodestralen. Kathodestralen worden in een magneetveld door de Lorentzkracht loodrecht op hun richting en die van de krachtlijnen afgebogen {z electromagnetisme). Door electrische velden zullen electronen natuurlijk in de krachtlijnenrichting een kracht ondergaan. Deze kracht wordt in radiobuizen e.d. gebruikt; een groot voordeel van deze electronische instrumenten is, dat ze ten gevolge van de geringe massa van de electronen practisch traagheidsvrij zijn (z electronica). Het nader onderzoek van de electronenbeweging heeft overtuigende bewijzen geleverd voor de relativiteitstheorie* en de golfmechanica*. Een electronenstraal vertoont bij treffen van een kristal analoge buigingsverschijnselen* als röntgenstralen; ze doen denken aan, en zijn ook van dezelfde soort als, de buiging, die men ziet wanneer men door een zijden zakdoekje naar een brandende lantaarn kijkt. Ook in de electronenmicroscoop* komt de analogie van de electronengolven met lichtgolven tot uiting.
In gebonden toestand (z atoom, atoommodel) zijn de electronen aansprakelijk voor de meeste eigenschappen van de stof. Speciaal de eigenschappen van de metalen hangen er mee samen, dat hierin de electronen vrij van atoom tot atoom kunnen lopen. Dit verklaart zowel hun electriciteitsgeleiding als hun sterke warmtegeleiding en de evenredigheid van deze twee grootheden met elkaar (wet van Wiedemann-Franz). Zie ook Fermi-statistiek, Pauli-verbod, halfgeleider, thermo-electriciteit, materiegolven, spectrum.
PROF. DR J. A. PRINS
Lit.: Dorgelo, Electronen, atomen en moleculen (Delft 1935, 3de dr. 1947).
