Uitleg: Werking en soorten elektromotoren

Bijna elke keer als we in onze moderne wereld iets met een druk op de knop in beweging zetten, zijn er elektromotoren aan het werk. Daarvan zijn maar heel weinig gebruikers zich echt bewust. Zelfs niet als ze dagelijks tandenborstels, mixers, wasmachines, rolgordijnen, garagedeuren en oneindig veel andere apparaten en machines met één in beweging brengen. 

Deze onwetendheid is in zekere zin heel begrijpelijk: elektromotoren doen immers meestal verborgen, stil en onopvallend hun werk, vaak jarenlang.

Toch staan elektromotoren de laatste tijd weer steeds vaker in de belangstelling. Elektrische krachtbronnen wekken namelijk niet alleen mechanische energie op. Ze zijn hard op weg om de verbrandingsmotor in onze voertuigen te vervangen. Reden te meer om eens wat dieper in te gaan op het thema ‘elektromotor’.



Wat is een elektromotor?

Simpel gezegd is een elektromotor een elektromechanische omvormer die elektrisch vermogen omzet in mechanisch vermogen. Elektromotoren hebben dan ook een stroomaansluiting waarmee de elektrische energie wordt aangevoerd. De mechanische output, in het eenvoudigste geval in de vorm van een as, draait en fungeert als aandrijving voor machines en apparaten.

Het werkingsprincipe van een elektromotor is gebaseerd op de magnetische werking van elektrische stroom.


Wie heeft de elektromotor uitgevonden?

De elektromotor is niet door één iemand uitgevonden. In feite waren het de ontdekkingen en uitvindingen van veel verschillende mensen die hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van de elektromotor:

In 1820 ontdekte Hans Christian Ørsted dat stroomvoerende geleiders een magnetisch veld opwekken. Hij was de eerste die met behulp van elektrische stroom een magnetisch veld opwekte en daarmee een kompasnaald in beweging zette. In datzelfde jaar vond de Fransman André-Marie Ampère de cilinderspoel uit.

In 1821 presenteerde Michael Faraday de resultaten van zijn onderzoek naar de ‘elektromagnetische rotatie’. In zijn modellen draaide een beweegbare geleider rond een vaste magneet of een beweegbare magneet rond een vaste geleider.

In 1822 ontwikkelde de wis- en natuurkundige Peter Barlow het naar hem genoemde wiel van Barlow. Het wiel met metalen spaken draaide tussen de poolschoenen van een U-vormige magneet.

In 1825 vond William Sturgeon de eerste functionele elektromagneet met ijzerkern ter versterking van het magnetisch veld uit.

In 1832 bouwde Hippolyte Pixii het eerste rotatie-apparaat voor het opwekken van wisselstroom.

In 1834 ontwikkelde Moritz Herman von Jacobi de eerste roterende elektromotor, met een vermogen van ca. 15 W. Zijn tweede motor, die 1838 officieel werd gepresenteerd, had al een vermogen van 300 W en werd toegepast in een schip.

In 1839 bouwde Von Jacobi een motor met een vermogen van 1000 W.

Maar ook andere uitvinders, onder wie de Schot Robert Davidson en de Nederlanders Christopher Becker en Sibrandus Stratingh experimenteerden in dezelfde periode met de ontwikkeling van elektromotoren.

Pas toen in 1866 het opwekken van elektrische energie op grote schaal mogelijk werd, won de elektromotor steeds meer aan populariteit en verdrong hij geleidelijk aan de tot dan toe gebruikte stoommachine.



Hoe werkt een elektromotor?

Onderdelen van een elektromotor

Een elektromotor maakt gebruik van het feit dat magneten elkaar onderling beïnvloeden, afhankelijk van hoe ze ten opzichte van elkaar zijn opgesteld. Gelijke magneetpolen stoten elkaar af en ongelijke magneetpolen trekken elkaar aan. Om een elektromotor te kunnen bouwen heb je eerst een permanente magneet (1) van een bepaald model nodig. Tussen de polen van de permanente magneet bevindt zich een draaibaar ijzeren deel (2), waaromheen een spoel van koperdraad (3) is gewikkeld.


Werking van de magnetische kracht

Als er een gelijkstroom door de spoel vloeit, bouwt hij een magnetisch veld op en wordt het ijzeren deel een elektromagneet. De polariteit van de elektromagneet, dus de oriëntatie van de noord- en de zuidpool, is afhankelijk van de stroomrichting door de spoel.

Oriëntatie van de elektromagneet

Omdat de elektromagneet draaibaar is, oriënteert hij zich zodanig dat de ongelijke polen van de twee magneten altijd tegenover elkaar staan.


In rustpositie blijven

Zolang de stroom niet wordt uitgeschakeld blijft de elektromagneet zo staan, omdat hij door de magnetische krachten in deze positie wordt gehouden.


Ontstaan van de draaibeweging

Om ervoor te zorgen dat de elektromagneet continu blijft draaien, moet de magnetische polariteit worden omgekeerd. Daarvoor hoeft alleen maar de stroomrichting in de spoel te worden veranderd. Dat gebeurt door een sleepring (collector) die met de spoel in verbinding staat en waarop de twee contacten met de voedingsspanning zijn aangesloten.

Vlak voordat dat de elektromagneet de optimale oriëntatie heeft bereikt, wordt de stroom via de sleepring uitgeschakeld en meteen daarna met omgekeerde polarisatie weer ingeschakeld. Zodra de stroomrichting omkeert, draaien ook de polen van het magneetveld om. Nu staan dezelfde magnetische polen tegenover elkaar en stoten ze elkaar uit alle macht af. De elektromagneet draait verder totdat de ongelijke magneetpolen elkaar na een kwart omwenteling weer aantrekken. Vlak voor de optimale oriëntatie wordt de stroom weer omgepoold en begint het proces opnieuw.

Let op: draairichting

De draairichting van de motor is afhankelijk van de polarisatie van de batterij (gelijkspanning) op de sleepcontacten. Wordt de spanning omgepoold, dan verandert ook de draairichting van de motor. De draaisnelheid is afhankelijk van de hoogte van de voedingsspanning. Hoe hoger de spanning, des te sneller draait de motor. De maximaal toegestane voedingsspanning van de motor mag echter niet worden overschreden.



Wat is een stator bij een elektromotor?

Het begrip ‘stator’ is afgeleid van het Latijnse werkwoord ‘stare’, dat stilstaan betekent. De stator is het stilstaande deel van een elektromotor. De stator bestaat ofwel uit een permanente magneet ofwel uit een elektromagneet. Bij een binnenloper is de stator vast verbonden met de buitenste motorbehuizing. Bij een buitenloper bevindt de stator zich binnen in de motor.

De motorbehuizing (links) met de komvormige magneten is de stator.



Wat is een rotor bij een elektromotor?

De rotor is het draaiende gedeelte van een elektromotor. Doorgaans bestaat de rotor uit een motoras, een anker van plaatijzer, een ankerspoel met verschillende wikkelingen en een sleepring voor de stroomvoering. Daarnaast worden aan het anker vaak nog vleugelwielen bevestigd om de motor tijdens bedrijf te koelen.

Als alternatief kunnen in plaats van de rotorspoel ook permanente magneten van rond formaat worden gebruikt. Dan komen de sleepring en de sleepcontacten te vervallen. In dat geval is de motorspoel in de stator geïntegreerd. Dit zijn borstelloze motoren, die veel worden toegepast in de modelbouw, maar niet functioneren met gelijkspanning.

Rotor van een 230V motor van een miniboormachine.



Wat is een trommelanker?

Een elektromotor met slechts één tweepolig anker heeft een groot nadeel. In de positie waarin de polariteit van de spoel wordt gewisseld, maken de contacten op de sleepring heel even geen verbinding met de spoel. Als op dat moment de spanning wordt uitgeschakeld, vertonen tweepolige motoren echter de neiging om in deze stand te blijven staan. De oorzaak hiervan ligt in het restmagnetisme van het anker. Als nu de voeding weer wordt ingeschakeld, kan de motor niet meer starten.

Daarom worden in de praktijk rotoren met drie of meer polen toegepast. Deze ankers worden ook wel trommelankers genoemd. In welke positie het anker ook staat, zodra de spanning wordt ingeschakeld, vloeit er altijd stroom door de ankerspoelen. Daardoor start de motor betrouwbaar.

Elektromotor met driepolig anker



Wat doet de commutator bij een elektromotor?

Omdat de ankerspoel met de rotor ronddraait, kan hij niet vast van buitenaf worden bedraad. De stroom vloeit via een sleepring naar de ankerspoel. De sleepring aan het anker wordt ook wel commutator genoemd. Via de sleepring worden de ankerspoelen van stroom in de juiste richting voorzien. Toch zijn er ook duidelijke nadelen. De sleepring en de borstels zijn onderhevig aan slijtage en er ontstaat borstelvonk op de sleepcontacten. Om de effecten bij hoge stroomsterkte zoveel mogelijk te beperken, worden sleepcontacten en koolborstels van grafiet gebruikt. Soms worden aan het grafiet nog metaalcomponenten als koper, molybdeen of zilver toegevoegd.

De loopsporen van de motorkoolstoffen zijn duidelijk zichtbaar op de commutator.



Wat is een klokankermotor?

De tot nu toe besproken en afgebeelde elektromotoren hebben een anker met een geleiderwikkeling en een ijzerkern. Hoe mooi de bundeling en de versterking van het magnetische veld door de ijzerkern ook zijn, er zijn ook nadelen waarmee u rekening moet houden. 

De voortdurende magnetische ompoling kost energie en wekt schadelijke wervelstromen op. Om deze ongewenste wervelstromen voor zover mogelijk te voorkomen, is de ijzerkern opgebouwd uit afzonderlijke lamellen transformatorblik, die onderling elektrisch geïsoleerd zijn. Omdat de ijzerkern door de permanente magneet wordt gemagnetiseerd, heeft de motor een zogenoemd rustmoment. Dit rustmoment is duidelijk waarneembaar wanneer een krachtige elektromotor met een driepolig trommelanker met de hand wordt gedraaid. Bovendien is er door de niet onaanzienlijke massa van de ijzerkern ook sprake van een zekere traagheid bij het accelereren van de motor en bij het veranderen van het toerental.

De oplossing: een motor met een anker zonder ijzeren kern


Kernloze (coreless) klokankermotor

Bij een klokankermotor bestaat het anker uit een speciaal gevormde zelfdragende spoel zonder ijzeren kern. De spoel is via de collectorplaat verbonden met de collector en de motoras. In het hart van de spoel bevindt zich een permanente magneet, waarbij de motorbehuizing fungeert als sluiting van het magnetische veld. Dankzij deze mechanische opbouw heeft de klokankermotor doorslaggevende voordelen:

1) Aansluitplaat |  2) Collektor  |  3) collector plaat |  4) Motorbehuizing  |  5) Motorflens  |  6) kogellager  |  7) Schuurborstels  |  8) Zelfdragende spoel  |  9) Motoras  |  10) Permanente magneet


Voor- en nadelen van klokankermotoren

Geen ijzerverlies

Doordat de ijzerkern ontbreekt, is er ook geen sprake van verliezen in de kern. Hierdoor is het rendement aanzienlijk hoger, wat ook tot uiting komt in een lagere onbelaste stroomsterkte. Het koppel is proportioneel met de stroom en er kunnen extreem sterke permanente magneten worden gebruikt, omdat er geen ijzerkern is, die anders magnetisch oververzadigd zou kunnen raken.


Geen rustmoment

Omdat er geen ijzerkern is, heeft de motor ook geen rustmoment. Dat zorgt voor een schokvrije gang, ook bij een lager toerental. Bij hogere toerentallen genereert de motor minder trillingen en draait hij extreem stil. Omdat de rotor bovendien in elke gewenste positie blijft staan, zijn nauwkeurige regelingen gemakkelijk te realiseren.


Geen massatraagheid

In vergelijking met een traditionele motor met ijzerkern heeft een klokankermotor een uiterst geringe ankermassa, waardoor hij heel snel kan accelereren en dynamisch op toerentalwisselingen kan reageren. Bovendien maakt dit type motor een compacte uitvoering en een hoog koppel mogelijk in verhouding tot de motoromvang.


Geen inductiviteit

Door de ontbrekende ijzerkern is de inductiviteit van een klokankermotor kleiner en dat levert minder borstelvonk op. Daardoor treedt er minder slijtage op en kan de motor gemakkelijker worden ontstoord.


Lage thermische belastbaarheid

Een klokankermotor heeft echter ook negatieve eigenschappen. Zo is de thermische belastbaarheid van het anker niet zo hoog, bij gebrek aan een ijzerkern die overtollige warmte-energie zou kunnen opnemen.



Welke soorten elektromotoren zijn er?

Tegenwoordig zijn de meest uiteenlopende soorten elektromotoren verkrijgbaar. Het belangrijkste verschil tussen de afzonderlijke soorten is waarschijnlijk de voeding. Al bij het ontwerp wordt bepaald of de motor met gelijkstroom, wisselstroom of draaistroom moet worden gevoed. Maar ook het opwekken van de noodzakelijke magnetische velden gebeurt bij de diverse motoren op verschillende manieren. Naast sterke permanente magneten worden afhankelijk van de toepassing ook elektromagneten gebruikt. In het simpelste geval wordt hiervoor rond de ijzerkern van gelamineerd transformatorblik een spoel van koperdraad gewikkeld die het benodigde magnetische veld opwekt.

In de volgende onderdelen geven we een nauwkeurigere beschrijving van de verschillen tussen de meest gangbare soorten elektromotoren en de verschillende uitvoeringen. 



Waarin verschillen gelijk- en wisselstroommotoren van elkaar?

Zoals we al aangaven werken gelijkstroommotoren met een permanente magneet als stator. Wordt de voedingsspanning van de rotor omgepoold, dan verandert ook de draairichting van de motor.

AC-motor met statorwikkeling in het bovenste gebied.

Als een gelijkstroommotor zou werken met een wisselspanning van 50 Hz zou de rotor niet 100 keer per seconde van draairichting kunnen veranderen. In dat geval zou de rotor niet draaien, maar alleen een brommend geluid veroorzaken.

Om dat te voorkomen moet het magnetisch veld van de stator in hetzelfde 50 Hz-ritme veranderen als dat van de rotor. In de praktijk wordt dit bereikt door voor de stator geen permanente magneet te gebruiken, maar een pakket transformatorbliklamellen met een bekrachtigingswikkeling. De magnetische velden van de stator en de rotor veranderen dan synchroon 100 keer per seconde, waardoor de motor continu in één richting draait.

Als de statorwikkeling en de ankerwikkeling achter elkaar zijn geschakeld (in serie), noemen we dat een seriemotor. Deze motortypen worden toegepast in huishoudelijke apparaten, zoals mixers en stofzuigers.

Als de statorwikkeling en de ankerwikkeling parallel geschakeld zijn, noemen we dat een shuntmotor.



Wat is een draaistroommotor?

Als er een hoger vermogen nodig is, bijvoorbeeld in de industriële sector, bij productieprocessen of bij elektrische machines, werken elektromotoren niet met gewone wisselspanning, maar met driefasen-wisselstroom, ook wel ‘draaistroom’ genoemd. In de praktijk hebben kooiankers zichzelf ruimschoots bewezen, omdat ze nagenoeg geen slijtageonderdelen hebben en uiterst onderhoudsarm zijn.

Wat houdt draaistroom precies in?

Bij de stroomvoorziening van gebouwen stelt de energieleverancier drie fasen (spanningvoerende leidingen) ter beschikking. Voor de elektrische installatie wordt het spanningsverschil tussen een van de drie fasen (L1, L2 of L3) en de nulleider (N) gebruikt. De spanning bedraagt in dit geval 230 V. Omdat de drie fasen in de tijd 120° ten opzichte van elkaar zijn verschoven, kan er tussen de fasen een spanningsverschil van 400 V worden gemeten.

De drie fasen L1, L2 en L3 zijn 120° verschoven ten opzichte van elkaar.


Werkingsprincipe van een draaistroommotor

Als de drie draadspoelen (SP1 – SP3) in de vorm van een driehoek zijn gerangschikt en verbonden met de drie fasen, wekken de spoelen een magnetisch veld op dat ‘draait’ in het ritme van de netfrequentie. Nu hoeft er alleen nog een magnetische rotor in het hart van de drie spoelen te worden gemonteerd, die door het draaiende magnetische veld wordt ‘meegenomen’. Daardoor heeft een draaistroommotor geen commutator nodig en dat maakt de opbouw een stuk eenvoudiger. Ook onderhouds- en servicewerkzaamheden blijven hierdoor tot een minimum beperkt.


Opbouw van een draaistroommotor

De rotor bestaat uit een as (1) met ronde en afzonderlijk geïsoleerde ijzeren lamellen (2). In de rotor zijn meerdere massieve metalen staven geplaatst die fungeren als stroomgeleider. Aan beide zijden van de rotor zijn de metalen staven elk geleidend verbonden (kortgesloten) met een metalen plaat (3). Vanwege de geleiderkooi die hierdoor ontstaat, wordt de rotor ook wel kooiankerrotor genoemd.

Het magnetische veld van de statorspoelen (4) induceert in de geleiders van de rotorkooi een stroom die op zijn beurt weer een magnetisch veld opwekt. De wederzijdse beïnvloeding van de magnetische velden zorgt ervoor dat de rotor een draaibeweging maakt. De draairichting is afhankelijk van de volgorde van de faseverschuiving op de aansluitsnoeren en kan door het verwisselen van twee van de drie aansluitsnoeren worden omgekeerd.

Gedemonteerde driefasenmotor met ankerwikkeling en rotor.


Sterschakeling/driehoekschakeling

Vanwege de hoge aanloopstroom worden krachtige draaistroommotoren in sterschakeling gestart. Daardoor staan er altijd twee spoelen in serie tussen de fasen. Als de motoren op toeren zijn gekomen worden ze omgeschakeld naar een driehoekschakeling, zodat ze het volle vermogen kunnen leveren.

Het toerental is afhankelijk van de netfrequentie en van het aantal spoelenparen. Een motor met vier spoelenparen heeft volgens de volgende formule een vaste omwentelingssnelheid van 750 omwentelingen (50 Hz x 60 seconden/minuut = 3000 : 4 spoelenparen) per minuut.

Schakelschema van de ster-driehoekschakeling.

Als toerentalregeling vereist is, moeten frequentieomvormers worden toegepast. Frequentieomvormers veranderen de vaste frequentie van de wisselspanning van het elektriciteitsnet in een variabele frequentie voor de aangesloten motor.

Omdat de rotor achterloopt op het magnetische veld van de stator en niet synchroon is, worden deze motoren ook wel asynchrone motoren genoemd. De rotor van een synchrone motor daarentegen draait synchroon met het draaiveld van de stator, maar synchrone motoren zitten aanzienlijk complexer in elkaar.



Wat is een reluctantiemotor?

De reluctantiekracht wordt ook wel Maxwellse trekspanning genoemd. Die is altijd zo gericht dat de magnetische weerstand afneemt en de inductiviteit stijgt. Dat kunt u zich het beste voorstellen aan de hand van een spoel met een open magnetische kern van transformatorblik. Stroom die door de spoel beweegt, wekt een magnetisch veld op. De magnetische veldlijnen worden door de rechthoekige ijzerkern gebundeld en geleid. Toch veroorzaakt het gat in de open ijzeren ring een niet te verwaarlozen magnetische weerstand.

Gebruik van de terugslagkracht

Uitlijning van de rotor

Als een draaibaar deel van het ringvormige centrum (3) zich echter in de opening bevindt, wordt het bewogen door de reluctantiekracht (zie schets A).


Uitgelijnde rotor

Het onderdeel richt zich dan zodanig dat de magnetische ring wordt gesloten en er een minimale weerstand ontstaat  (zie schets B).


Werkingsprincipe van de reluctantiemotor

Een reluctantiemotor werkt volgens precies hetzelfde principe. Telkens twee polen van de stator vormen een open magnetische ring en twee polen van de rotor fungeren als beweegbaar onderdeel, waarmee de magnetische ring wordt gesloten.


Opbouw van een reluctantiemotor

Een reluctantiemotor is net zo opgebouwd als een draaistroommotor. In het buitenste, vaste deel (de stator) bevinden zich de wikkelingen van de spoelen die het benodigde magnetische veld opwekken. 

Overigens is de rotor van een reluctantiemotor niet als kooianker ontworpen. De rotor richt zich eerder op de magnetische veldlijnen aan de polen van de stator. Hij bestaat dan ook uit gelamineerd blik met een heel specifieke vorm. De metalen steunen dienen als geleider voor de magnetische flux en de tussenruimtes dienen als onoverkomelijk obstakel voor de magnetische veldlijnen. Dankzij het simpele ontwerp kan de motor voordelig worden geproduceerd en omdat zich in het anker dan wel de rotor geen geleiders bevinden, is er geen kabelverlies. Hierdoor kan de motor uiterst efficiënt functioneren. Vooral bij gedeeltelijke belasting levert de reluctantiemotor een aanzienlijk hoger rendement op dan conventionele draaistroommotoren met kooianker.


Werking van een reluctantiemotor

Om het werkingsprincipe van een reluctantiemotor duidelijk uit te leggen, worden in het getoonde voorbeeld slechts 12 spoelen/polen in de stator weergegeven. In de praktijk worden echter veel meer spoelen gebruikt, waardoor de polen aanzienlijk dichter naast elkaar liggen. In dat geval geleiden dan ook alle steunen van de rotor de magnetische veldlijnen.

De spoelen van dezelfde kleur zijn met elkaar verbonden en worden steeds gezamenlijk aangestuurd. Zodra er stroom door de blauwe spoelen loopt, worden de magnetische velden in de afbeelding in de wikkelingsrichting van de spoelen opgewekt. De rotor richt zich dan onmiddellijk naar de magnetische velden.

Wanneer de blauwe spoelen worden uitgeschakeld en de gele spoelen ingeschakeld, richt de rotor zich opnieuw. Datzelfde gebeurt als de gele spoelen worden uitgeschakeld en de groene ingeschakeld.

In de praktijk vindt de aansturing van de spoelen plaats met behulp van een frequentieomvormer. De draairichting van de rotor en ook de snelheid van het draaiveld kunnen daarmee afzonderlijk worden ingesteld en geregeld. Omdat de rotor zich altijd meteen volgens het magnetisch veld richt, loopt hij synchroon met het draaiveld.

Reluctantiemotoren worden toegepast voor ventilatoren, pompen en machineaandrijving. Een ander groot toepassingsgebied van reluctantiemotoren zijn elektrische auto’s. In dat geval worden ook nog krachtige permanente magneten in de rotor geplaatst om het koppel en de efficiënte te vergroten. Deze motoren worden dan hybridemotor genoemd en ze worden in kleine uitvoering veel gebruikt als stappenmotor.



Wat is een condensatormotor?

Een condensatormotor is een wisselstroommotor die ontworpen is voor kleinere vermogens. Hij valt onder de asynchrone motoren en wordt gevoed met 230 V wisselspanning. De opbouw van een condensatormotor is gebaseerd op een kooiankermotor met een kooirotor, maar de condensatormotor heeft slechts één hoofdwikkeling (SP1) en één mechanisch 90° gedraaide hulpwikkeling (SP2). Om de rotor in beweging te zetten, moet de spanningstoename in de hulpwikkeling vertraagd plaatsvinden. Dat wordt bereikt door een condensator (K) in serie te schakelen met de hulpwikkeling. De blindstroom die door het voortdurend afwisselende laden van de condensator in een 50 Hz-ritme ontstaat, zorgt voor een faseverschuiving van 90° in de hulpwikkeling en daarmee voor het starten van de motor.

Aansluiting van een condensatormotor

Bedrading van een condensatormotor.


Toepassingsvoorbeeld in een compressor

De condensator bevindt zich boven de motor.


De draairichting wordt tijdens de productie vastgelegd door de manier waarop beide spoelen van de condensator zijn aangesloten. De motor houdt deze draairichting altijd aan, ongeacht hoe de stekker in het stopcontact wordt gestoken.

Onze tip: storingsoorzaken

Condensatormotoren zijn net zo robuust, simpel en onderhoudsarm als draaistroommotoren. Om die reden is er bij een elektrisch defect zelden iets aan de hand met de motorwikkelingen en zijn meestal de condensatoren oorzaak van de storing. En bij de meeste motoren kunnen de condensatoren zonder al te veel moeite en tegen lage kosten worden vervangen.



Wat is een brushless elektromotor?

Brushless elektromotoren zijn in principe draaistroommotoren die als aandrijving worden toegepast in de besturingstechniek, als voertuigaandrijving en ook wel in de modelbouw. Omdat deze motoren geen koolborstels hebben, is er ook geen kans op borstelvonk die de afstandbediening of de besturingselektronica zou kunnen verstoren.

Daarbij wordt er aan de hand van de constructie van de motoren onderscheid gemaakt tussen binnenlopers en buitenlopers.

De binnenloper

Bij een binnenloper bevinden de statorwikkelingen zich aan de buitenzijde in de vaste behuizing. De rotor bestaat uit een cilindervormige permanente magneet die binnen de vaste behuizing draait.


De buitenloper

Bij een buitenloper is de situatie precies omgekeerd. De stator met de spoelen is het vaste binnenste deel van de motor. De motorbehuizing met de permanente magneten aan de binnenzijde is draaibaar gelagerd en omsluit de stator.


Vanwege hun constructie hebben binnenlopers hoge toerentallen en een relatief laag koppel. Buitenlopers daarentegen hebben een hoog koppel, maar niet zulke hoge toerentallen.

Voor een effectief gebruik van brushless elektromotoren is een speciale motorregelaar nodig, die van de gelijkspanning van de aandrijfaccu een kunstmatige draaistroom met drie ‘fasen’ maakt. In de modelbouw worden hiervoor speciale brushless toerentalregelaars (ESC = Electronic Speed Controller) gebruikt. De snelheidsregelaar krijgt van de ontvanger informatie over hoe snel de motor moet draaien.

Het enige wat u hoeft te doen om de draairichting te veranderen, is het onderling verwisselen van twee van de drie aansluitsnoeren.



Wat is een stappenmotor?

Een stappenmotor, ook wel steppermotor genoemd, is in principe een brushless elektromotor die is opgebouwd als binnenloper. Vanwege de constructie en de aansturing kan hij bepaalde draaibewegingen (staphoek) van 1,8 graden of minder maken. Stappenmotoren worden gevoed met gelijkspanning, die in een exact omschreven manier/volgorde op de motorspoelen moeten worden aangesloten. Om die reden worden stappenmotoren elektronisch aangestuurd. Stappenmotoren zijn er in verschillende uitvoeringen.

Reluctantiestappenmotor

Bij deze motor bestaat de rotor uit een getande zachte ijzerkern en een inwendig getande stator. Bij het inschakelen van de statorstroom richt de rotor zich steeds zodanig dat de tanden van de rotor en die van de stator tegenover elkaar staan, waardoor een voor de magnetische stroom zo laag mogelijke weerstand ontstaat.


Stappenmotor met permanente magneten

Bij een stappenmotor met permanente magneten bestaat de rotor uit een sterke magneet die zich naar het magnetische veld van de stator richt. Bij een stappenmotor met permanente magneten is het mogelijke aantal polen beperkt, met als gevolg ook een beperkte resolutie van de draaistappen.


Hybride stappenmotoren

Bij hybridestappenmotoren wordt de techniek van de reluctantiemotor gecombineerd met die van de stappenmotor met permanente magneten. Dat resulteert in een stappenmotor met een krachtig koppel en een hoge stappenresolutie.


Werkwijze van stappenmotoren

Een bipolaire stappenmotor beschikt over twee spoelen, die beide twee aansluitingen hebben. Daardoor hebben bipolaire stappenmotoren vier aansluitkabels, die naar buiten worden geleid. Bij een unipolaire stappenmotor heeft elk van de twee spoelen nog extra middenaftakkingen, die ook mee naar buiten worden geleid.

In principe maakt het overigens niet uit of bij een bipolaire stappenmotor de polariteit van de spoelen wordt omgekeerd of dat bij een unipolaire stappenmotor telkens een halve spoel afwisselend van stroom wordt voorzien. De basiswerkwijze is altijd hetzelfde.

De volgende afbeelding geeft aan hoe een unipolaire stappenmotor werkt in volstapbedrijf, waarbij de stroom altijd door twee spoelen loopt (stap 1-4).

Stappenmotor in volledige-stappenmodus

In het getoonde voorbeeld heeft de motor vier polen en de rotor twee, waardoor bij elke stap een rotatie van 90° plaatsvindt. Omdat er altijd twee spoelen tegelijk worden gevoed, is ook het koppel van de rotor hoog.

Stap 1


Stap 2


Stap 3


Stap 4


Stappenmotor in halfstapmodus

In halfstapbedrijf wordt tussen de hele stappen steeds een spoel uitgeschakeld. Bij dezelfde constructie wordt daardoor het aantal stappen verdubbeld. Toch is het koppel bij de halve stappen lager, omdat de magnetische kracht op de rotor dan ook lager is.

Stap 1


Stap 2


Stap 3


Stap 4


Stap 5


Stap 6


Stap 7


Stap 8


Structuur van een stappenmotor

Bij een geschikte constructie is het mogelijk om een standaard stappenmotor te realiseren, bijvoorbeeld met 200 stappen per omwenteling. Dat levert per stap een staphoek van 1,8° op.

De aansturing van een stappenmotor vindt plaats via een microcontroller die de volgorde van de stappen regelt, afhankelijk van wat nodig is voor de toepassing. Een motordriver neemt de schakelfuncties van de statorspoelen over en zorgt voor de benodigde stroom.



Wat is een reductormotor?

Een reductormotor bestaat uit een gelijkstroommotor of een wisselstroommotor die voorzien is van een transmissie. De transmissie verlaagt het toerental van de motor en verhoogt tegelijkertijd het koppel.

Reductormotoren worden bij voorkeur gebruikt in de transporttechniek en de machinebouw, wanneer langzame bewegingen en een hoog vermogen nodig zijn, maar ze worden ook toegepast in de modelbouw, bijvoorbeeld als aandrijfmotoren voor rupsvoertuigen.

Als transmissie wordt bij voorkeur een planeetaandrijving, wormaandrijving of rechtetandwielaandrijving toegepast.


Planetaire tandwielmotor

Bij reductormotoren met planeetaandrijving ligt de uitgangsas in het verlengde van de motoras



Wormwielmotor

Bij een wormwielaandrijving is de uitgangsas 90° gedraaid ten opzichte van de motoras.



Tandwielmotor

Rechte tandwielaandrijvingen hebben een simpele constructie, ze zijn robuust en ze hebben een hoog rendement.


Afhankelijk van het benodigde vermogen en de toepassing worden bij reductormotoren zowel gelijkstroommotoren, wisselstroommotoren als draaistroommotoren toegepast.



Toepassing van elektromotoren