De borstelloze elektromotor wint terrein. Dit is de techniek erachter

Techniek

Slimme elektromotoren doen het nu zonder koolborstels. Wassen, schroeven, braden en zelfs stofzuigen kan al borstelloos. En daarmee zuiniger, schoner en sneller.

Een snoerloze stofzuiger die werkt met een motor zonder koolborstels en vijf keer zo veel toeren per minuut haalt als een gewone stofzuiger. Studio NRC

Het zijn twee onderdelen die lawaai maken, slijtage veroorzaken en een vies zwart poeder verspreiden. Ze zitten in de motoren van wasmachines, stofzuigers en boormachines. Koolborstels. Iedereen wil van ze af, en dat begint ook te lukken. De borstelloze elektromotor wint terrein, dankzij slimme elektronica en nieuwe magneetmaterialen als neodymium. Elektrische fietsen, elektrische auto’s en snoerloos gereedschap zijn de belangrijkste afnemers van die nieuwe elektromotor.

Elektromotoren zijn er in veel verschillende uitvoeringen, maar het principe is steeds hetzelfde: je neemt twee magneten en je laat magneet 1 magneet 2 naar zich toe trekken. Als dat gelukt is, dreigt een patstelling, want de twee magneten blijven hardnekkig tegenover elkaar staan, noordpool tegenover zuidpool.

Lees ook het antwoord op een veelgestelde vraag: Waarom maakt een stofzuiger altijd zo’n herrie?

Om uit deze impasse te geraken laat je een van de magneten van polariteit veranderen. Nu staat er een noordpool tegenover een noordpool en verderop lonkt een zuidpool. De noordpool van de tweede magneet beweegt bliksemsnel naar die zuidpool. Als die daar is aangekomen, verander je de polariteit opnieuw.

Als je nu magneet 2 op een draaiende as monteert (rotor of anker), en magneet 1 om magneet 2 heenbouwt (stator), treden die kleine rukjes aan beide zijden van magneet 2 op (een magneet heeft immers twee polen). De rukjes worden een ronddraaiende beweging en voilà, een elektromotor.

Van de twee magneten moet er in ieder geval één een elektromagneet zijn. Soms is dat de stator, soms de rotor en soms is zowel stator als rotor een elektromagneet. Motoren waar de stator én de rotor met een permanente magneet zijn uitgerust doen het niet, hoewel de uitvinders van perpetuum mobiles dat graag anders zouden zien.

Maar hoe laat je een magneet van polariteit veranderen? Om te beginnen neem je dan een elektromagneet, een spoel van koperdraad. Als je daar een elektrische stroom doorheen laat lopen, oefent die een magnetische kracht uit. En als je de stroomrichting omdraait, verandert die elektromagneet van polariteit. Maar hoe draai je de stroomrichting om?

Dat gaat het gemakkelijkst door van wisselstroom gebruik te maken, want dat is een elektrische stroom die niets anders doet dan van richting veranderen, vijftig keer per seconde. Elk stopcontact levert dat en de meeste motoren en motortjes in ventilatoren, moderne wasmachines, cv-pompen, magnetrons en ovens werken zo (de zogeheten éénfasige inductiemotoren). Daarvoor moest wel een paar problemen overwonnen worden; zo zijn voor het starten van de motor een paar kunstgrepen nodig.

Snoerloze boormachines

Maar als er geen wisselstroom beschikbaar is? Dat is steeds vaker het geval. Denk aan snoerloze boormachines, zaagmachines, schuurmachines. Of aan de motortjes die in auto’s zitten voor ruitenwissers, raambediening, ventilator en airco. En niet te vergeten: de motoren van elektrische fietsen en auto’s.

Al die motoren zijn aangewezen op stroom uit accu’s en batterijen, en dat is gelijkstroom, met een vaste polariteit.

Anderhalve eeuw geleden is daar iets op gevonden: de commutator.

De rotor bestaat dan uit een draaibare as met een elektromagneet. Het begin en het einde van de wikkeling zijn aangesloten op twee koperen plaatjes aan de zijkant van de as. Tegen elk plaatje drukt vanuit het motorhuis een geleidend stukje kool (grafiet), de koolborstel. Als nu op beide koolborstels een gelijkspanning wordt aangesloten, wordt de spoel bekrachtigd en de rotor magnetisch.

De rotor bevindt zich in het magnetisch veld van de stator. De rotor krijgt een zet, draait een halve slag, en nu drukt elke koolborstel wéér tegen een koperen plaatje, maar ditmaal het andere. Begin en einde van de wikkeling zijn verwisseld, de spoel wordt weer bekrachtigd, maar de stroomrichting in de spoel is gedraaid. Weer krijgt de rotor een zet en even later is de omwenteling voltooid en begint het van voren af aan. Voor een soepele loop zijn er méér koperen plaatjes op de as gemonteerd (gezamenlijk de collector of commutator geheten) en heeft de rotor ook meer wikkelingen.

De nadelen van deze constructie zijn groot en talrijk. Er zijn wrijvingsverliezen en de koolborstels en de koperen plaatjes slijten door het voortdurend tegen elkaar draaien. Dat alles gaat ten koste van het rendement, produceert ongewenste warmte, maakt lawaai en sproeit stof en slijpsel in het rond. Verder is het contact tussen koolborstel en collector nooit optimaal en treedt er dus spanningsverlies op. Ook zie je het vaak flink vonken tussen borstel en collector, met extra slijtage, ozonvorming, radiostoring en explosiegevaar als gevolgen.

Op een zeker moment zijn de borstels versleten en stopt de motor ermee. Vervanging van de borstels is dan het enige dat erop zit. Voor langdurig bedrijf zijn koolborstelmotoren dus eigenlijk ongeschikt.

Je ziet die motoren nog wel in stofzuigers, oudere en goedkopere wasmachines en boormachines met een snoer. Dat zijn de zogeheten universele motoren. En hoewel die op wisselstroom werken, zijn ze toch met koolborstels uitgerust. Ze hebben twee elektromagneten, en de rotor wordt met koolborstels van spanning voorzien. Het voordeel van dit type motor is dat hij compact en licht is, ook bij lage toerentallen flink wat trekkracht heeft en gemakkelijk is te besturen (vooruit, achteruit, langzaam, snel). Het nadeel: die koolborstels. Daarom zul je ze in de nieuwe en betere wasmachines niet vinden. Bij stofzuigers is dit motortype nog alomtegenwoordig, al sluit een fabrikant als Miele een borstelloze snoerstofzuiger voor de toekomst niet uit.

Elektrische auto’s

Een borstelloze accu-schroefboormachine levert ook bij lage toerentallen vol vermogen en wordt niet warm. Dit type gaat langer mee en is zuiniger dan een boormachine met koolborstels. Makita

Al die nadelen treden niet op bij borstelloze gelijkstroommotoren. Je zag ze al langer in hard-diskdrives en pc-ventilatoren, maar ze veroveren nu ook elektrische fietsen, hybride auto’s, snoerloze schroef-boormachines en ander gereedschap.

De rotor is in deze motoren een permanente magneet (vaak een aantal magneten op één as), de stator bestaat uit zes, twaalf of meer spoelen die in een ring zijn opgesteld. Het bijzondere van deze motoren is dat het de stator is die een roterend magnetisch veld opwekt, de permanente magneet van de rotor holt daar achteraan. Soms is de magneet ringvormig en draait hij om de spoelen van de stator heen (in naafmotoren van fietsen, pc-ventilatoren en diskdrives), soms ook draait de permanente magneet binnen de spoelen van de stator (in boormachines en e-bikes met een motor bij de trapas). Opmerkelijk genoeg zitten in sommige full-electric auto’s (Tesla, Nissan Leaf) borstelloze motoren die draaien op wisselstroom. Daardoor hoeft de rotor niet uit een permanente magneet te bestaan; die worden bij grote vermogens erg groot en duur. Een omvormer maakt in deze auto’s wisselstroom uit de accuspanning.

In borstelloze gelijkstroommotoren besturen een microprocessor en een aantal schakelende transistoren de motor. Gezamenlijk zetten ze de accuspanning om in stromen die op het juiste moment naar de juiste statorspoelen worden gestuurd. Het ritme wordt gedicteerd door een of meer hall-sensors, kleine voelertjes die een pulsje versturen als de magneet van de rotor langskomt.

De microprocessor weet zo op elk moment in welke stand de rotor staat, en welke spoel of groep van spoelen van de stator er heel even bekrachtigd moet worden en met welke polariteit. Elke spoel van de stator kan zo elke rotorpool aantrekken.

Er is een borstelloze stofzuiger die 110.000 toeren per minuut draait – vijf keer zoveel als een gewone stofzuiger.

De nadelen van de borstelmotor zijn nu verdwenen, en er verschijnen nieuwe voordelen. Hogere toerentallen bijvoorbeeld. Zo maakt stofzuigerfabrikant Dyson een snoerloze stofzuiger waarvan de borstelloze motor een duizelingwekkende 110.000 toeren per minuut draait – vijf keer zoveel als een gewone snoerstofzuiger. Meer toeren betekent dat er meer lucht kan worden verplaatst en volgens Dyson maakt dit stofzuigertje een snoerstofzuiger overbodig.

Krachtig magneetmateriaal

Bij snoerloze schroef-boormachines treden de voordelen heel duidelijk aan het licht, want ze zijn gemakkelijk te vergelijken met hun geborstelde tegenhangers. De meeste fabrikanten verkopen beide soorten.

Toerentalregeling is eenvoudig: de microprocessor regelt het tempo waarin de spoelen van de stator worden bekrachtigd. En omdat elke spoel maximaal van stroom wordt voorzien, blijft ook bij lage toerentallen het volledige vermogen beschikbaar – in tegenstelling tot de geborstelde machine waar bij lage toerentallen het vermogen ‘geknepen’ wordt.

Elektromagneten in gereedschap kunnen nogal warm worden, maar in de borstelloze motor draaien ze niet en kunnen ze tegen de koele metalen binnenkant van het motorhuis worden gemonteerd. Door de toepassing van krachtig magneetmateriaal (neodymium) kan een borstelloze boormachine compacter zijn dan zijn geborstelde tegenhanger.

Hij kost nog wel een paar tientjes meer, maar hij heeft een langere levensduur, is krachtiger, en op één acculading kun je veel langer schroeven en boren. Dat hier van vooruitgang sprake is, valt moeilijk te ontkennen. Rimpelloos wordt de toekomst zeker niet, maar borstelloos waarschijnlijk wel.