Motoren · Elektrisch · Demo
Drie spoelen die nooit bewegen, drie stromen uit de pas — en toch draait het magnetisme daartussen rond.
Zelfde stator, zelfde draaiend veld — alleen de rotor verandert. De kooi draait op slip; de magneet vergrendelt in de pas (en start voorgesynchroniseerd, zoals een echte moet).
Ongeveer 50× vertraagd: een veld van 1.500 tpm doorkruist het scherm twee keer per seconde. De kooi herstarten speelt een rechtstreekse start opnieuw af — vol koppel vanaf het eerste moment.
Koppel heeft alleen veld × stroom nodig, en beide bestaan al voordat de as ook maar beweegt — daarom trekt een elektromotor al hard vanaf 0 tpm.
In gewone taal
Elke wisselstroommotor steunt op één en dezelfde truc, ontdekt door Galileo Ferraris en Nikola Tesla in de jaren 1880. Wikkel drie spoelen in een ring van ijzer, 120° uit elkaar in de ruimte. Voed ze met drie wisselstromen, 120° uit elkaar in de tijd — precies wat de drie draden van een driefasige voeding leveren. Elke spoel pulseert alleen langs zijn eigen as, maar de drie pulsen tellen altijd op tot één magnetisch veld van constante sterkte, dat soepel ronddraait op de frequentie van de voeding. Er beweegt geen enkel onderdeel om dat voor elkaar te krijgen. Zet er een magneet in en die vergrendelt zich en draait synchroon mee; zet er een kooi van koperen staven in en die wordt net iets trager meegesleurd. Dat is het hele geheim van de synchrone en de inductiemotor.
Elke wikkeling apart maakt een veld dat gewoon heen en weer klopt langs zijn eigen as. Maar tel drie van die kloppende velden bij elkaar op, 120° uit elkaar in zowel ruimte als tijd, en de schommeling valt precies tegen elkaar weg: het resultaat is een vector met een constante lengte van 1,5× de fasepiek, die soepel ronddraait op de frequentie van de voeding. Het is een zuiver interferentie-effect — dezelfde wiskunde als drie overlappende golven die samen één lopende golf vormen.
Het veld draait één keer per AC-cyclus gedeeld door het aantal poolparen: n = 120·f/polen tpm. Een 2-polige machine op 50 Hz laat zijn veld draaien op precies 3.000 tpm, een 4-polige op 1.500 — daarom zoemen generatoren, pompen en oude werkplaatsmotoren allemaal op die magische snelheden. Verander je de snelheid, dan moet je ook de frequentie veranderen: dat is de hele taak van de omvormer in een EV.
Een kooianker-rotor heeft geen magneten en geen draden naar buiten — alleen kortgesloten koperen staven. Hij voelt alleen een kracht zolang het veld erlangs veegt, want dat vegen is precies wat zijn stromen opwekt. Daardoor kan hij het veld nooit helemaal bijhouden: hij draait een paar procent trager dan het veld, en juist dat tekort — de slip — is waar zijn koppel vandaan komt. Belast hem zwaarder en hij slipt meer, trekt meer stroom, tot aan een omslagpunt waarna hij vastloopt.
Geef de rotor zijn eigen veld — permanente magneten, in de meeste EV-motoren — en hij klikt vast aan het draaiende veld, draaiend op precies de synchrone snelheid. Belast hem en hij zakt terug over een vaste hoek, als een magnetische veer die wordt opgerekt; het koppel groeit mee met die hoek, tot aan een grens waarna de vergrendeling breekt en de rotor polen overslaat. Geen slip betekent geen rotorstromen die voor opwarming zorgen — één reden waarom permanentmagneetmachines de EV-wereld domineren.