De universele motor
werkt met gelijkspanning en wisselspanning
Motor
Root server » TechTalk » Electriciteit » Motoren » Universeel
De universele motor wordt veel gebruikt voor kleine vermogens vanwege zijn eenvoud en het feit dat die zowel op gelijkspanning als op wisselspanning kan werken.
-

-


Een universele motor kan ook als dynamo gebruikt worden
De universele motor kan gemakkelijk uitgerust worden met een snelheidsregeling.


Motor gebruikt voor de liftbesturing van steenkoolmijnen.


Motor met compensatiepolen in kortsluiting


Gelijkstroommotor gebruikt voor de bediening van een garagepoort.
Op de tweede foto zijn de koolborstels en de collector goed zichtbaar


Universele motor en dynamo

De universele motor bestaat uit een veldwikkeling en een ankerwikkeling, beide zijn meestal in serie geschakeld, vandaar de naam "seriemotor" die vaak gebruikt wordt. De polen bestaan uit dunne metaalplaten om wervelstromen te beperken.

Wordt de motor aangedreven dan wordt het een dynamo (de meeste motoren produceren een spanning als ze aangedreven worden). Met "universeel" wilt men niet zeggen dat de motor ook als generator gebruikt kan worden, maar dat de motor zowel op gelijkspanning als op wisselspanning werkt. Het rendement is hoger op gelijkspanning en de voedingsspanning moet verlaagd worden om overtoeren te vermijden.

Rechts (drie foto's): een seriemotor daterend van het eind van de 18e eeuw. De motor lijkt nog niet op de universele motoren zoals die gebruikt worden in kleine electrotoestellen. De motor heeft twee vaste wikkelingen om het magnetisch veld op te bouwen. De stator bestaat uit één stuk weekijzer, een teken dat de motor gemaakt is voor gelijkspanning. Er waren gelijkspanningsnetten in België tot aan de tweede wereldoorlog.

Het typeplaatje geeft geen aanduiding van frekwentie, maar de spanning is 220V. Het vermogen wordt aangeduid in paardekracht, wat toen gewoon was. De rotatiesnelheid is de snelheid bij een nominale belasting, want deze motoren hebben geen vaste rotatiesnelheid.

De borstels zijn eigenlijk gevlochten koperdraad. Later zal men koolborstels gebruiken. In contact met de koperen collector verslijten de zachtere koolborstels sneller en zorgen daardoor dat de collector minder snel verlijt (die kan normaal niet vervangen worden). De koolborstel kunnen gemakkelijk vervangen worden. Bij bepaalde toepassingen waar er hoge stromen door de borstels moeten lopen (dynamos die een lage spanning en hoge stroom leveren voor galvanoplastie) zitten er fijne koperdraden in de koolborstels. De dynamo's draaien aan een lage snelheid om slijtage te verminderen.

De motor draait altijd in dezelfde richting ongeacht de polariteit en kan dus zowel op gelijkspanning als op wisselspanning werken. Bij wisselspanning veranderd immers zowel het veld in het ankel als in de stator.

Enkel de motoren met een krachtige permanente magneet als stator draaien in de ene of andere richting naargelang de polariteit en worden enkel gevoed met gelijkspanning.

Deze motoren hebben een hoog aanloopkoppel, maar kunnen op hol slaan als er geen belasting is. Daarom zit er op de motoras een ventilator die voor een toenemende belasting bij stijgend toerental zorgt.

Voordelen van de universele motor

De universele motor werkt zowel met gelijkspanning als wisselspanning en heeft geen draaistroom nodig (of een condensator om een draaiend veld te maken). De motor heeft een betere arbeidsfactor dan een asynchrone motor.

De motor levert een hoog vermogen in verhouding tot zijn afmetingen. Het koppel is maximaal bij lage toerentallen en neemt dan gelijdelijk af, wat interessant is voor veel toepassingen. Deze motoren halen een veel hoger toerental dan de andere types motoren, tot 25.000 toeren/minuut.

Gelijkspanning en wisselspanning

Als de motor met wisselspanning gevoed wordt spreekt men van een universele motor, anders heeft men het over een gelijkspanningsmotor.

De universele motor wordt altijd in serie gewikkeld (seriemotor). Shuntmotoren hebben een contant koppel, maar worden in de praktijk niet gebruikt wegens veel vonken (faseverschuiving van de stroom in de stator en rotor). Bij een serieschakeling speelt de faseverschuiving geen rol, want dezelfde stroom loopt door beide wikkelingen.

Bij gelijkspanningsmotoren zit men niet vast aan de verplichte serieschakeling, maar heeft men de keuze:

  • Veldwikkeling in parallel (shunt): relatief constant koppel en stabiele snelheid ongeacht de belasting.

  • Compoundschakeling: voordelen van de shuntwikkeling, maar met een hoger aanloopkoppel. De snelheid is minder stabiel.

  • Onafhankelijke veldwikkeling: nauwkeurige motorcontrole, de stroom door de veldwikkeling bepaalt het koppel en de stroom door het anker het toerental.

  • Anticompoundschakeling: zeer stabiel toerental ongeacht de belasting maar het koppel is beperkt.
Gelijkspanningsmotoren kunnen een stator hebben die uit een blok bestaat (en niet uit geïsoleerde lamellen), want het statorveld blijft constant in de tijd. De rotor moet natuurlijk nog altijd opgewouwd worden uit lamellen omdat het veld hier wel wisselt met de rotatie van de motor.

Tegen Electro-motorische kracht (tegen-EMK)

We hebben het hier over universele motoren die dus in serie gewilleld worden. Bij stilstand is de stroom enkel beperkt door de ohmse weerstand van de wikkelingen. Het aanloopkoppel kan dus zeer hoge waarden bereiken, maar ook de aanloopstroom is zeer hoog. Als de motor begint te draaien ontstaat er in het anker een tegen-EMK die de voedingsspanning tegenwerkt. Deze spanning komt overeen met de spanning die de machine ontwikkeld zou hebben als die als dynamo gebruikt zou zijn geweest. Door de tegen-EMK zakt de stroom door de motor, en dus ook het koppel.

Omdat de stroom lager wordt als de motor sneller gaat draaien, wordt er dus een lager magnetisch veld opgebouwd, die op zijn beurt een lagere tegen-EMK produceert. Om dit tegen te gaan moet de motor altijd sneller en sneller gaan draaien (als de motor sneller draait, dan stijgt de tegen-EMK). Onbelast kan de seriemotor op hol slaan. Deze motoren zijn vaak uitgerust met een kleine radiale ventilator die weinig efficient is op hoge snelheid, maar die daardoor juist voor de nodige weerstand zorgt.

Toepassingen

Deze motoren worden in veel toepassingen gebruikt dankzij de gunstige eigenschappen. De universele motor wordt gebruikt in koffiemolens en boormachines, maar het is ook mogelijk om het toerental te wijzigen en de motor in de andere richting te laten draaien door het anker of de stator om te polen. Deze motor kan dus in wasmachines gebruikt worden en zorgt zowel voor het wassen (lage snelheid in beide richtingen) als het zwieren (hoge snelheid).

De gelijkstroommotor met permanente magneet wordt nog vaak gebruikt omdat die eenvoudig aangesloten kan worden: de voedingspanning wordt omlaag getransformeerd en gelijkgericht en naar de motor gestuurd. De rotatiezin wordt omgekeerd door de polariteit om te draaien. Dergelijke motoren zal men terugvinden bij de bediening van garagepoorten, mechanische systemen (openen en sluiten van kleppen),... De motoren worden ook in speelgoed gebruikt. Het is veel complexer de rotatiezin van een asynchrone motor te wijzigen.

Voor algemene toepassingen van meer dan 1kW is men redelijk snel overgestapt op asynchrone motoren, maar men is de universele motor trouw gebleven voor specifieke toepassingen waar men een nauwkeurige controle moet hebben over de motorsnelheid (liftmachines, vuurleiding, besturing van draaibanken en andere machines en dergelijke).

Voor grote vermogens werd de motor vaak gevoed uit een Ward-Leonardschakeling. Deze motoren werden ook in treinstellen gebruikt vanwege het hoog aanloopkoppel. In bepaalde installaties is men de gelijkstroommotor blijven gebruiken zelfs nadat de ward leonard schakeling vervangen werd door een electronische sturing (gestuurde gelijkrichters).

Motor rechts: aandrijving van de kooien van een steenkoolmijn
De motor moest zowel snel als traag kunnen draaien om mensen op meer dan 1000m onder de grond snel boven te kunnen halen, maar moest ook een nauwkeurige positionering van de kooi mogelijk maken. Deze motor draait aan maximaal 46 toeren per minuut en heeft een aparte voeding voor de stator en het anker.

Nadelen

Een minpunt van deze motor zijn de koolborstels: al de stroom moet door de borstels lopen. De koolborstels drukken redelijk sterk op de lamellen van de collector en slijten dus ook snel. De koolborstels van een universele motor zijn berekend op ongeveer 500 werkuren.

Ook produceren de borstels veel storingen, maar die kunnen gedeeltelijk onderdrukt worden door kleine condensatoren en spoeltjes in de leidingen van de borstels.

De motor produceert een variabel koppel, die afhangt van de positie van de rotor, maar ook van de netfrekwentie. Deze motoren worden altijd met monofasé gevoed en daardoor ontstaat er een pulsatie van 100Hz. De motoren produceren dus meer trillingen en lawaai dan asynchrone motoren.

Het toerental is niet vast en hangt af van de belasting (bij een serie-motor, de meest voorkomende type motor). Dit kan zowel een voordeel als een nadeel zijn.

De aanloopstroom ligt hoog, maar omdat de motor enkel gemaakt wordt voor relatief kleine vermogens is er meestal geen systeem om de aanloopstroom te beperken. De motor gaat heel snel defekt als de as geblokkeerd is. Dergelijke motoren hebben ook een geforceerde koeling nodig (stofzuigers).

De motor heeft ook een lager rendement omdat de ankerreaktie de neutrale lijn verschuift, waardoor de motor niet meer optimaal werkt. Om de vonken te verminderen en het rendement te verhogen zijn bepaalde universele motoren uitgerust met compensatiepolen die

  • gevoed worden in serie met de veldwikkeling (de werking is dan gelijkaardig aan die van de compensatiepolen van dynamo's)

  • in kortsluiting zijn (het veld dat opgewerk is, is gelijk aan het veld in de rotor en door de kortsluiting wordt het veld verschoven), schematische voorstelling zie figuur rechts
De motoren met compensatie worden niet meer gemaakt: voor hoge vermogens werkt men liever met asynchrone motoren met kortsluitanker. Voor kleine motoren worden de koolborstels op een gemiddelde positie vastgezet.

Het rendement van een gecompenseerde motor kan zeer goed zijn, maar een normale seriemotor heeft een rendement van ongeveer 30%. Dat wilt zeggen dat een stofzuigermotor van 1000W eigenlijk 700W warmte produceert. De luchtstroom mag zeker niet onderbroken worden!

Met de komst van krachige magneten is men de stator wikkeling gaan vervangen door permanente magneten. Deze motoren hebben een constante koppel en een rotatiesnelheid die van de voedingsspanning afhangt.

Deze "seriemotor" wordt natuurlijk veel gebruikt daar waar enkel gelijkspanning beschikbaar is: de startmotor, de motor van de ruitenwissers, van de electrische ramen,... zijn allemaal seriemotoren. Omdat er permanente magneten gebruikt worden in de stator, klopt de benaming "seriemotor" niet meer. De motoren met permanente magneten kunnen ook niet meer gebruikt worden met wisselspanning, waardoor het geen universele motoren meer zijn. De correcte benaming is gelijkspanningsmotor met permanente magneten.

Startmotor

De startmotor van een explosiemotor is een universele motor die met gelijkstroom gevoed wordt (op 12 of 24V). De veldwikkeling en het anker zijn in serie geplaatst en de gebruikte draad heeft een groot diameter. Tussen iedere lamel van de collector vormt de wikkeling één enkele lus. Tussen de twee koolborstels die op 180° van elkaar staan zijn er tweemaal 10 lussen in serie.

De rotor die hier getoond wordt had evengoed die van een dynamo kunnen zijn: de constructie is nagenoeg identiek, maar men bouwt geen dynamo's meer omdat hun rendement veel lager is dan die van een alternator van identiek vermogen.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's