Inleiding Inleiding...2 Magnetisme (kort)...3 Het Elektromagnetisch Veld...3 Wet van Faraday...3 Wet van Lenz...3 Wet van Coulomb...4 Wet van Ampère...4 De alternator (wisselstroomgenerator)...4 De dynamo (gelijkstroomgenerator)...5 De elektromotor...5 Gelijkstroommotor met borstel...5 Borstelloze motor...5 De transformator...6 Bijlage 1: Wisselstroommotoren...7 Draaistroommotor...7 Driefasig...7 synchrone motoren...7 asynchrone motoren....7 Bijlage 2: Begrippen...8 Commutator...8 Bijlage 3: Gelijkstroommotoren...9 Seriemotor...9 Shuntmotor...9 Compoundmotor...9 www.ffxs.nl/diy-elektro - 2 - Elektromagnetisme en het gebruik
Magnetisme (kort) Alle magneten hebben twee polen die de noordpool en de zuidpool worden genoemd. De noordpool van een magneet stoot de noordpool van een andere magneet af, en trekt de zuidpool van een andere magneet aan. Omdat ook de aarde een magneetveld heeft, met zijn zuidpool vlak bij de noordpool en zijn noordpool vlakbij de zuidpool. De magnetische veldlijnen worden gemakkelijker overgebracht in een ijzeren kern dan in open lucht. Het Elektromagnetisch Veld Een elektrisch veld wordt geproduceerd door niet-bewegende elektrische ladingen en zorgt voor een elektrische kracht op andere ladingen. Een magnetisch veld wordt geproduceerd door de beweging van elektrische ladingen. Deze beweging noemen we de stroom, uitgedrukt in Ampère (A). In een magneet bijvoorbeeld wordt het veld veroorzaakt door de bewegingen van de elektronen in het materiaal. Dit alles wil zeggen dat een stroomvoerende geleider steeds een magnetisch veld zal opwekken. De hoeveelheid magnetisme dat wordt opgewekt, wordt uitgedrukt in Weber (Wb )en noemen we de magnetische flux (Φ). Dit effect werkt ook in de omgekeerde richting. Wanneer een geleider in een bewegend magnetisch veld wordt gebracht, zal in deze geleider een elektrisch veld worden opgewekt. Dit effect noemen we elektromagnetische inductie en vormt de basis voor elektromotoren, generatoren, transformatoren,... Daar er sprake is van een beweging, kan er afgeleid worden dat de frequentie van de opgewekte wisselspanning afhankelijk is van de snelheid waarmee de magneet zich verplaatst. Net zoals de spanning afhankelijk is van de snelheid van de geleider (wetten van Lenz & Faraday). Wet van Faraday Een veranderend magneetveld wekt een elektrisch veld op. De opgewekte spanning (U ind ) uitgedrukt in Volt, is afhankelijk van de magnetische fluxdichtichtheid per oppervlakte (B) uitgedrukt in Tesla, de lengte (l) van de geleider in meter en de snelheid (v) van de geleider in het magnetische veld uitgedrukt in meter per seconde (m/s). Wet van Lenz De wet van Lenz is een bijzonder geval van de wet van Faraday en stelt dat iedere magnetische fluxverandering wordt tegengewerkt door een geïnduceerde elektrische spanning volgens: www.ffxs.nl/diy-elektro - 3 - Elektromagnetisme en het gebruik
Een direct gevolg van de wet van Lenz is dat velden van twee naastgelegen (of concentrische) geleiders met tegengestelde stroom elkaar opheffen. Hiermee worden verbindingen gemaakt die zeer ongevoelig zijn voor stoorsignalen van buitenaf zoals bij unshielded twisted pair en coax kabels. Wet van Coulomb De wet van Coulomb beschrijft de kracht die twee elektrische ladingen op elkaar uitoefenen. Als de ladingen beide positief zijn, of beide negatief, oefenen zij een afstotende kracht op elkaar uit. Zijn hun tekens tegengesteld, dan is de kracht een aantrekking., waarin F C de kracht is die de ladingen op elkaar uitoefenen in N (newton) of kg m s-2, q1 en q2 de beide ladingen zijn, uitgedrukt in C (coulomb) of As (ampèreseconde), r de afstand is tussen de beide ladingen (meter), 8.988 109 Nm2C-2 is de constante van Coulomb, met ε0 = 8,85 10-12 C2(Nm)-2de elektrische veldconstante. Wat de vorm betreft lijkt de wet van Coulomb sterk op de gravitatiewet, maar de Coulombkracht kan, in tegenstelling tot de zwaartekracht, ook afstotend zijn. Wet van Ampère De wet van Ampère is een natuurwet die op mathematische wijze de relatie uitdrukt tussen de elektrische en magnetische component van elektromagnetische verschijnselen. Deze wet stelt dat: evenwijdige en gelijkgerichte elektrische stromen trekken elkaar aan, evenwijdige en tegengesteld gerichte stromen stoten elkaar af. De alternator (wisselstroomgenerator) Een alternator (of wisselstroomgenerator) is een machine waarin mechanische energie, binnenkomend via een draaiende as, omgezet wordt in elektrische wisselstroomenergie. Deze omzetting berust op het feit dat wanneer een elektrische geleider door een magnetisch veld beweegt, er elektrische spanningen worden opgewekt in die geleider en bij gesloten kring dus stroom gaat vloeien. Bij de alternator wordt het magnetisch veld opgewekt bij kleine uitvoeringen door één of meer permanente magneten, bij grotere uitvoeringen door een elektromagneet in de rotor. De stator bevat een of meer spoelen waarin door het draaien van de rotor de gewenste sinusvormige wisselspanning wordt opgewekt. www.ffxs.nl/diy-elektro - 4 - Elektromagnetisme en het gebruik
De dynamo (gelijkstroomgenerator) Een dynamo of gelijkstroomgenerator (meervoud: dynamo's) is een machine waarin mechanische energie, binnenkomend via een draaiende as, omgezet wordt in elektrische gelijkstroomenergie. De elektromotor 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 in elk geval een 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. Voor meer uitleg over type s motoren zie bijlage 1 Gelijkstroommotor met borstel Om deze draaiing 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/of stator uit meer dan twee delen, de collectoren, bestaan). Deze verandering van polariteit gebeurt door de commutator en koolborstels. De motor zal verder doordraaien als de richting van de stroom die er doorheen vloeit wordt omgekeerd. A: shunt B: serie C: compound 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 zogenaamde. compoundmotor. Zie ook Bijlage 3: gelijkstroommotoren. Borstelloze motor Naast de gelijkstroommotor, die de windingen op de rotor heeft, is er ook een uitvoering waarbij de windingen aan de behuizing of stator zijn verbonden, en de magneten aan de rotor. Er zijn dan geen koolborstels nodig, waardoor vonkvorming (een faalmechanisme bij borstelmotoren) voorkomen wordt. Wel is het 'nog steeds' nodig de windingen op het juiste moment een stroom te laten dragen om een resulterend koppel te kunnen genereren. Dit wordt gedaan met elektrische commutatie. Veelal wordt dit gedaan met een Hall-sensor die de positie van de magneet/rotor meet en daarmee elektronica voedt die het goede stroomprofiel op de windingen zet. Er zijn geïntegreerde oplossingen zodat een borstelloze motor net zoals een gelijkstroommotor kan worden aangestuurd. www.ffxs.nl/diy-elektro - 5 - Elektromagnetisme en het gebruik
De transformator Een transformator is een statisch elektrisch apparaat, bestaande uit magnetisch gekoppelde spoelen. Stuurt men een veranderlijke stroom door een van de spoelen, de primaire spoel genoemd, dan wordt in de andere spoel(en), de secundaire, een spanning opgewekt. Een belangrijke toepassing is het omzetten van een hogere wisselspanning, zoals de netspanning, naar de gewenste lagere wisselspanning. De hogere wisselspanning op de primaire spoel met veel windingen veroorzaakt daarin een wisselstroom, die in de secundaire spoel met minder wikkelingen een lagere wisselspanning opwekt. De spanning is omlaag getransformeerd. Heeft de secundaire spoel meer wikkelingen dan de primaire dan wordt de spanning omhoog getransformeerd. De verhouding tussen het aantal windingen van de primaire spoel en de secundaire spoel geeft de factor waarmee de spanning omhoog, dan wel omlaag wordt getransformeerd. Dit noemt men de transformatieverhouding. Een transformator bestaat uit twee of meer spoelen, die zich in elkaars magnetisch veld bevinden. Soms zijn de spoelen uitgevoerd als één wikkeling met aftakkingen. Afhankelijk van de toepassing van de transformator worden de spoelen al dan niet gewikkeld rond een magnetiseerbare kern. Het wikkeldraad is meestal koper, dat is voorzien van een schellak isolatielaagje om sluiting tussen de wikkelingen te voorkomen. De kern bestaat uit lamellen die van elkaar geïsoleerd zijn om het vermogensverlies in de kern ten gevolge van wervelstromen te beperken. Voor een transformator geldt de wet van behoud van energie. Al het aan de primaire kant opgenomen vermogen moet ergens blijven. Het grootste deel kan aan de secundaire kant weer afgenomen worden, ofwel Een klein deel van de energie wordt in de transformator echter in warmte omgezet (gedissipeerd vermogen). Voor een ideale transformator, waar geen verliezen in optreden, geldt dus (met P = U * I) De sterkte van het magnetische veld in de spoel is afhankelijk van het aantal windingen van die spoel en de sterkte van de elektrische stroom door die windingen. Heeft de primaire spoel n windingen en de secundaire m windingen, dan zullen de spanning U en stroom I aan in- en uitgang van de transformator zich verhouden als: www.ffxs.nl/diy-elektro - 6 - Elektromagnetisme en het gebruik
Bijlage 1: Wisselstroommotoren Draaistroommotor Een draaistroommotor is meestal een driefasige elektromotor maar kan ook enkelfasig zijn. Draaistroom verwijst naar het aanleggen van een draaiveld. Dit wordt meestal gerealiseerd door het aanleggen van een driefasige elektrische spanning en/of stroom verschoven over 120 op een d riefasige wikkeling. Bij enkelfasige draaistroommotoren wordt het draaiveld opgewekt in de motor zelf. Het toerental van een draaistroommotor is recht evenredig met de frequentie van het draaiveld en ligt daardoor vast. Altijd een veelvoud van de netfrequentie 50 Hz. Beide typen werken met een draaiveld en kunnen dus draaistroommotor genoemd worden, maar met de benaming "draaistroommotor" wordt meestal een asynchrone driefasige motor of inductiemotor bedoeld. Driefasig Bij driefasige draaistroommotoren onderscheiden we: synchrone motoren Een motor heeft steeds twee magneetvelden nodig. Het eerste magneetveld wordt gevormd door het draaiende magneetveld in de stator. Het tweede magneetveld wordt gemaakt door het toevoeren van een gelijkstroom op de spoel van de rotor. Dit magneetveld zal het toerental volgen van het statordraaiveld. asynchrone motoren. Dit is een inductiemotor. Een motor heeft steeds twee magneetvelden nodig. Het eerste magneetveld is het draaiende magneetveld in de stator. Het tweede magneetveld wordt gevormd door de geïnduceerde of erin opgewekte magneetveld in het kooianker van de rotor. Vandaar de naam inductiemotor. Men noemt deze motor een asynchrone motor omdat hij iets trager draait dan het aangeboden draaiveld. www.ffxs.nl/diy-elektro - 7 - Elektromagnetisme en het gebruik
Bijlage 2: Begrippen Commutator De commutator is een belangrijk onderdeel in de werking van een gelijkstroommachine. Hij voorziet in twee dingen: Hij zorgt - net als bij een sleepring - voor een elektrische verbinding tussen de stilstaande koolborstels en de roterende as met de rotorwikkelingen. De wisselspanning die opgewekt wordt door het draaien van de rotorspoelen voorbij de vaste veldmagneten omzetten in een gelijkspanning (dynamo) of het omkeren van de stroomrichting in de rotorwikkelingen zodat het anker blijft draaien (motor). Een commutator is eigenlijk een mechanische gelijkrichter en roterende schakelaar in een. Het omkeren van de stroomrichting in de wikkeling wordt commutatie genoemd. www.ffxs.nl/diy-elektro - 8 - Elektromagnetisme en het gebruik
Bijlage 3: Gelijkstroommotoren Seriemotor Bij de seriemotor staat de bekrachtigingsspoel in serie met de ankerwikkeling. Deze seriewikkeling is opgebouwd uit weinig windingen van dik koperdraad. De specifieke eigenschap van deze motor is dat het toerental omgekeerd evenredig is met het koppel, ofwel hoe lager de belasting hoe sneller het anker zal draaien. Daarom mogen seriemotoren nooit onbelast gebruikt worden, omdat de motor dan op hol zal slaan. De seriemotor wordt toegepast waar hoge aanloopkoppels worden vereist, zoals als tractiemotor in elektrische treinen en trams. Ook de startmotor in de auto is een seriemotor. Shuntmotor Bij de shuntmotor staat de bekrachtigingsspoel parallel met de ankerwikkeling. Deze shuntwikkeling is opgebouwd uit veel windingen van dun koperdraad. De eigenschappen van de shuntmotor komen overeen met die van de onafhankelijk bekrachtigde motor. De shuntmotor wordt voornamelijk toegepast bij machines die werken met een constant toerental bij wisselende belastingen, zoals hijskranen en liften, alsmede bij aandrijvingen waar het toerental geregeld moet worden. Compoundmotor De compoundmotor is een combinatie van de twee bovengenoemde motoren; hij bezit zowel een serie- als een shuntbekrachtingswikkeling. De eigenschappen van deze motor liggen tussen die van de serie- en de shuntmotor in. Gecompounde seriemotor: Sterk serieveld met een zwak shuntveld geeft een motor met een hoog aanloopkoppel zonder het risico dat de motor op hol slaat. Het aanwezige shuntveld voorkomt dit. Gecompounde shuntmotor: Sterk shuntveld met een zwak serieveld geeft shuntmotor met een groter aanloopkoppel dan de standaard shuntmotor. Nadeel is dat het toerental afneemt bij toenemende belasting. Daarom wordt bij dit type motor nadat de motor is aangelopen, de seriewindingen kortgesloten. Tegengecompounde motor: Sterk shuntveld met een tegengesteld zwak serieveld zorgt dat bij een toenemende belasting het toerental altijd constant blijft. www.ffxs.nl/diy-elektro - 9 - Elektromagnetisme en het gebruik