Den elektriske motoren

Elektromotoren møter vi over alt, det er en smart sak som det er vel verdt å se litt nærmere på.

Tekst: Johan Varmedal Foto: Getty Images
Publisert i Bravisen 2/2019


I det daglige har vi mange hjelpemidler rundt oss. Det er utstyr som gjør hverdagen enklere for oss, det er utstyr som er nødvendig for å kunne gjennomføre kompliserte og tunge arbeidsoperasjoner, utstyr for produksjon eller det kan være utstyr som er tvingende nødvendig for å opprettholde god livskvalitet.

Kjernen i produktet

Dette mangfoldet av utstyr og apparater inneholder som regel en komponent som er sentral for virkemåte og funksjon. Selve kjernen i produktet. Det er elektromotoren. Den driver den elektriske tannbørsten, støvsugeren og miksmasteren på hjemmebanen. I industrien er samlebånd, møller og pumper alle drevet av elektriske motorer. Rullestolen går av seg selv på grunn av den. 

For å håndtere kommunikasjonsutfordringene i vår tid er også elmotoren sentral. Trikk og tog har lenge vært drevet av elektriske motorer. For å løse våre klimautfordringer møter vi den i alle sammenhenger når vi skal sette ting i bevegelse. Elektromotoren sørger for fremdrift av elektriske biler, sparkesykler og vanlige sykler. Om noen år vil også motoren gjøre sitt inntog i lufttrafikken. Vi vil få fly drevet av elektriske motorer. En klimaversting, jetmotoren, vil delvis få sin avløsning.

Ikke så gammel

Historien om elektromotoren er ikke så lang. En dansk fysiker, Hans Christian Ørsted, oppdaget i 1820 at en elektrisk leder som førte strøm kunne skape bevegelse. Lederen påvirket en kompassnål til å bevege seg når nålen kom nær lederen. Det var starten. 

For å løse våre klimautfordringer 
møter vi elektromotoren i alle sammen-
henger når vi skal sette ting i bevegelse.

Mange vitenskapsmenn og oppfinnere jobbet videre, uavhengig av hverandre, med elektromagnetiske fenomener. Michael Faraday har fått sitt navn udødeliggjort ved det som er kjent som Faradays lov, den beskriver at et magnetisk felt påvirker en elektrisk leder slik at det oppstår en elektromotorisk spenning i den.

I den første eksperimentelle fasen med elektromagnetisme som fenomen, ble fysiske krefter mellom magnetfelt og ledere på den ene siden, skilt helt fra induksjon på den andre siden. Emil Lenz påpekte gjensidigheten mellom disse fenomenene noe som ble akseptert og forstått i forskermiljøene. Dette ble grunnlaget for videre utvikling av elmotoren. På midten av 1830-tallet ble de første motorene som skapte rotasjon ved hjelp av elektrisitet konstruert.

Elegant grep

Det finnes utallige typer og varianter av elektriske motorer. Veldig grovt så har vi to typer, likestrømmotoren og  vekselstrømsmotoren. Like grovt er virkemåten forklart i teksten under. 

I en likestrømmotor finnes en rotor påmontert akslingen som roterer. Rotoren består av en jernkjerne som det er viklet ledninger rundt, en spole. Når det sendes strøm gjennom spolen, vil det, fordi spolen er viklet rundt en jernkjerne, bli dannet et magnetisk felt med en nord- og en sydpol. Dette skaper i seg selv ingen bevegelse, men når vi rundt denne rotoren, altså akslingen med jernkjernen og vikling, monterer en permanent magnet som også danner et magnetfelt med en nord- og en sydpol, da begynner ting å skje.

Vi har nå to magnetfelt som påvirker hverandre. Rotoren dreier fordi like magnetiske poler frastøter hverandre og ulike tiltrekker hverandre. Dette systemet ville fort funnet sin likevekt og rotoren ville stoppet i det øyeblikket nordpol står mot sydpol og vice versa. Et elegant grep sørger for at dette ikke skjer. En mekanisk innretning, kommutatorer og børster, sørger for å snu strømretningen i rotoren slik at også magnetfeltet endrer retning. Dette skjer i øyeblikket nordpolen møter sydpolen. Dermed står igjen like poler overfor hverandre, disse frastøtes og vi får en fortsettelse av rotasjonen.

Sinuskurven

En vekselstrømsmotor er ikke fult så enkel. I sin enkleste form er dette trefasemotorer som er tilkoblet en trefaset vekselstrømforsyning. Motoren har en mekanisk konstruksjon som består av en stator som står stille og som omslutter rotoren som er festet til den roterende akslingen. I statorens indre overflate mot rotor er det viklet ledninger rundt jernkjerner. Ledningene danner en spole og når det går strøm i disse ledningene påvirkes jernkjernen til å sette opp et magnetisk felt. Hver av de tre fasene har tilsvarende jernkjerne med spole som setter opp hvert sitt magnetisk felt.

I et trefaset vekselstrømsystem følger strømmen i hver fase en sinuskurve og hver fase er 120° forskjøvet. Når motoren kobles til vekselstrømforsyningen vil det settes opp et felles magnetfelt som er summen av magnetfeltet fra de tre spolene og jernkjernene. Sinuskurven og forskyvningen mellom fasene sørger for at dette magnetisk feltet dreier og går «rundt» inne i statoren, vi har et magnetisk dreiefelt.

Rotoren består på sin side også avledere, der det blir indusert en elektromekanisk spenning (Faradays lov) på grunn av magnetfeltet fra stator. Spenningen setter opp en strøm i rotorens ledere og en strømførende leder i et magnetfelt blir utsatt for en kraft, beskrevet i Lenz’ lov. Dermed dreier rotor og aksling.

Høy virkningsgrad

Likestrømmotoren har opp gjennom årene vært brukt i miljøer som hvor det kreves høy grad av regulering, for eksempel til papirmaskiner, sporvogner og boreutstyr på oljeplattformer. Kraftelektronikkens inntog gjør det nå mulig også å styre vekselstrømsmotorer effektivt og disse har derfor i stor grad overtatt for likestrømmotorene.

I en moderne elbil i dag er det som regel en trefase elektromotor. Det er to grunner til det. Først kan disse motorene reguleres effektivt ved hjelp av kraftelektronikk. Den andre, og også en viktig grunn, er at en trefase  elektromotor også kan brukes som generator. Da får vi regenerering av energi som sendes tilbake til batteriet i nedoverbakker eller ved oppbremsing.

Hvis vi sammenligner virkningsgraden, altså hvor mye av den energien som blir tilført motoren vi får igjen som rotasjonsenergi, for elmotorer og motorer drevet med fossilt brensel er det store forskjeller. En moderne diesel- eller bensinmotor har en virkningsgrad på 45 hhv 35 prosent. Tilsvarende tall for en elmotor er 90 prosent.

Avansert produkt

Elmotoren er i seg selv allerede et avansert produkt. Den vil overta bruksområdene fra forbrenningsmotoren mer og mer i årene som kommer. Det er systemene rundt elmotoren, batteriteknologi og ladning, som vil gis oppmerksomhet og som må utvikles videre.

Andre grunner til at vi omgir oss med elmotorer er at maksimalt dreiemoment er tilgjengelig når motoren startes, at den er lett å regulere og at den finnes i alle størrelser, fra mikro til makro. I et miljøperspektiv er elmotoren uovertruffen fordi den generer ikke-forurensende utslipp alene. Haken er at elektrisiteten ikke nødvendigvis er ren.

Herrene Faraday og Lenz skjønte nok ikke hva de var med på å starte for snart 200 år siden. Elektromotoren har vi med oss over alt. Vi i Bravida skal være med på å spre den ytterligere ved effektive pumpe- og ventilasjonsløsninger og ved installasjon av avanserte prosessanlegg - løsninger som både sparer penger og miljø!