De inductiemotor: een krachtige lichtgewicht

De elektromotor was een uitermate handige en belangrijke uitvinding die heel wat apparaten zou gaan aandrijven. Het is namelijk een motor van relatief weinig gewicht, maar toch kan hij veel kracht opwekken. Feitelijk werd het principe achter de elektromotor al rond 1820 ontdekt, maar dat leverde nog geen algemeen toepasbare motor op. De echte doorbraak kwam pas met de zogeheten inductiemotor, die in 1888 door Nikola Tesla werd ontworpen. Dit werd het meest gebruikte type elektromotor. De wereld zou er drastisch door veranderen: liften (en daardoor wolkenkrabbers), trams en tal van huishoudelijke apparaten werden mogelijk door deze motor.

Elektrische tram in Bremen, 1890

Wat is een elektromotor?

Een elektromotor is eigenlijk ieder apparaat dat elektrische energie omzet in mechanische beweging, waardoor een apparaat aangedreven kan worden. Daarbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat elektriciteit magnetisme kan opwekken. Een elektromotor beschikt dan ook over een magneet, welke in beweging wordt gebracht door elektriciteit. De meeste elektromotoren maken roterende bewegingen.

De motor bestaat uit een stator (een stilstaand gedeelte) waarin een rotor (het anker of draaiende gedeelte) ronddraait. Minstens een van deze twee is een elektromagneet. Afhankelijk van het type motor is de andere een permanente magneet, ook een elektromagneet of gewoon van magnetisch materiaal gemaakt. Door de krachtwerking van magnetische polen op elkaar, of door inductiewerking, gaat de rotor draaien.

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen gelijkstroom- en wisselstroommotoren. De motor moet namelijk anders in elkaar zitten om op gelijkstroom dan wel wisselstroom te kunnen functioneren. De gelijkstroommotor heeft namelijk extra borstels nodig om de stator en rotor te helpen keren, opdat de polariteit telkens veranderd.

De inductiemotor is borstelloos en werkt op wisselstroom.

Links de stator van een inductiemotor en rechts de rotor.

Pioniers 1820-1823

Het idee dat een elektrische stroom magnetische velden opwekt, werd in 1820 ontdekt door de Deen Christiaan Ørsted en de Fransman André-Marie Ampère. Zij merkten dat als stroom werd overgedragen op een recht stuk draad, dit werd omhuld door een magneetveld. Het bleef echter bij een constatering.

In 1821 was het vervolgens de beroemde natuurkundige Michael Faraday die probeerde om ook beweging in de draad te krijgen. Dat lukte door de elektrische kring rondom de magneet af te sluiten met geleidende vloeistof. De loshangende, magnetisch geladen draad gaat dan rond de magneet cirkelen. Op deze beweging werd het principe van de elektromotor gebaseerd.

Dat gebeurde al meteen een jaar later, in 1822, toen de Brit Peter Barlow de draad verving door een stervormig wiel. Daarmee kon de motor een mechanische aandrijving tot stand brengen. Het potentieel werd nu ook duidelijk voor niet-natuurkundigen, waardoor de belangstelling drastisch toenam.

In 1823 bouwde de Brit William Sturgeon (1783-1850) aldus de eerste elektromagneet. Dat werd een lang stuk koperdraad gewikkeld rond een hoefijzervormig stuk ijzer. Zodra er een stroom door de spoel werd gestuurd magnetiseerde het ijzer. Daardoor werd het een buitengewoon krachtige magneet die met behulp van slechts één batterij al een groot gewicht kon optillen. Door de stroom in- en uit te schakelen kon men bovendien het magnetische gehalte sturen. Sturgeon gebruikte dit principe om ook een elektromotor te bouwen, maar dat werd een wat omslachtig, weinig praktisch geval.

Op weg naar een echte motor

In 1829 was het de gerenommeerde Amerikaanse professor en expert in elektromagnetisme Jospeh Henry (1797-1878), die als eerste een echte elektromotor bouwde. Daarvoor gebruikte hij een sterke, zelfgemaakte magneet. Dit was een zogeheten lineaire elektromotor die werkt met duw en trekbewegingen. Henry baseerde zich hierbij met name op de vindingen van Faraday. Henry behoorde tot die uitvinders niet geloofden in het aanvragen van patenten. 

In 1834 werd een volgende stap gezet door de Amerikaanse smid Thomas Davenport (1802-1851), die het concept van met name Peter Barlow verbeterde. Hij bevestigde wel vier magneten op de motor in plaats van één; twee vaste en twee roterende. Dat gaf zoveel meer kracht dat Davenport er werkbanken en boren in zijn werkplaats op kon laten draaien. Dit tot grote verwondering van zijn bezoekers. In 1837 kreeg hij een patent.

Ondanks alle verbeteringen was commercieel gebruik van elektromotoren nog niet mogelijk. Elektriciteit was in die jaren nog niet beschikbaar via een leidingnet en de batterijen die nodig waren om een motor voor langere tijd te laten draaien waren te duur om het lonend te maken. Davenport probeerde het trouwens toch, maar ging eraan failliet.

V.l.n.r.: Joseph Henry in 1879, Thomas Davenport en Zénobe Gramme rond 1880. 

De gelijkstroommotor

Alle motoren van voor 1888 waren gelijkstroommotoren. Gelijkstroom was toen ook nog de enige vorm van elektriciteit die beschikbaar was. In deze motoren bevindt zich een roterende arm in de magneet. Via borstels en een collector of commutator (dit is een stroomwisselaar) wordt er gelijkstroom door een spoel geleid. Elke halve slag van de arm keert de collector de richting van de spoel om, zodat de stroomtoevoer gelijk blijft.  

Deze motor werd in 1873 per toeval ontdekt door de Belgische uitvinder Zénobe Gramme (1826-1901), die al de befaamde Gramme-dynamo had uitgevonden, een elektromagnetische dynamo die al veel wegheeft van een elektromotor. Het bleek nu dat bij het parallel schakelen van twee Gramme-dynamo's  een van de beide dynamo's als motor ging functioneren, elektrisch aangedreven door de andere. Hieruit kwam een Gramme-machine voort die de eerste succesvolle elektromotor werd. Al bleven de toepassingen uitsluitend op industrieel gebied, aangezien deze motor nog steeds niet erg handzaam was.

Gramme-machine uit 1873.

Tesla's inductiemotor

In de loop van de jaren '80 van de 19de eeuw, kwam Nikola Tesla (1856-1943), het wonderlijke, uit Servië afkomstige en voor George Westinghouse werkende genie, tot wisselstroom. Een systeem van elektriciteit genereren die veel efficiënter werkte dan de gelijkstroom.   

Een logische volgende stap was om ook een elektromotor te bedenken die op wisselstroom werkte en zo rond 1887/88 ging Tesla daarmee aan de slag. Aldus ontwierp hij de inductiemotor.

Het verschil met de gelijkstroommotor is dat de stroom niet meer via borstels in een collector omgedraaid hoeft te worden. De enige bewegende onderdelen aan deze motor zijn de rotor en de lagers waarop deze draait.

Vilma Lwoff-Parlaghy - Blauw portret van Nikola Tesla. 1913. Het enige portret waar Tesla ooit voor heeft geposeerd.

Inductiemotoren

Feitelijk zijn er twee soorten inductiemotoren: 

• De éénfase motor. Dat is een extra eenvoudige uitvoering waarbij het magnetisch veld wordt opgewekt in een enkele draaifase van de rotor.
• De driefasen motor. Hierbij wordt het magnetisch veld in drie draaifasen opgewekt. Daardoor wordt er ook wel gesproken van een asynchrone driefasen motor of een draaistroommotor.

Het resultaat was een bijzonder efficiënte, maar tegelijkertijd ook eenvoudige motor die gemakkelijk en goedkoop kon worden gebouwd en toch duurzaam was. Er zitten namelijk maar weinig onderdelen aan die kapot kunnen. Voorts kon deze motor ook nog eens hogere voltages aan en meer vermogen opbrengen dan de belangrijkste concurrent, de verbrandingsmotor. Daarmee is hij in zijn meest simpele uitvoering te gebruiken voor kleine apparaatjes, maar kan hij in een grote uitvoering worden gebruikt voor zware machines en de aandrijving van voertuigen als de tram, metro en elektrische trein.

Vandaar dat vandaag de dag nog steeds de meeste elektromotoren inductiemotoren zijn conform het ontwerp van Tesla. Significante wijzigingen bleken niet nodig.

Elektrische motor van een lift uit de catalogus Hydraulic, electric, steam and belt elevators van Otis uit 1893.

Bronnen

• Hart-Davis A. (red.) - 'Wetenschap, de grote ontdekkingen. Deel 3:  De industriële revolutie I, 1700-1890'. 2010
• Hart-Davis A. (red.) - 'Wetenschap, de grote ontdekkingen. Deel 4:  De industriële revolutie II, 1700-1890'. 2010 
• Bodanis D. - 'Het elektrisch universum: een geschiedenis van de elektriciteit.' Amsterdam 2005
• nl.wikipedia.org - 'Elektromotor'/'Nikola Tesla'/'Michael Faraday'

Afbeeldingen

• Tram Bremen: Wikimedia/ Die Gartenlaube (1890)
• Stator en rotor: Wikimedia/ Rankin Kennedy, Electrical Installations, Vol II, 1909
• Gramme-machine: Wikimedia / La Nature,  nr. 22 november 1873
• Overigen: Wikimedia (commons.wikimedia.org)