Het succesverhaal van de elektromotor, de betrouwbare mechanische krachtbron met alsmaar meer toepassingen, loopt al honderdveertig jaar. Wie zijn de uitvinders die geschiedenis schreven met de ontwikkeling van deze universele krachtbron?
Geleerden en straatnamen in de Watergraafsmeer – deel 33
Robert van Andel | Beeld Henk Pouw
De Ferrarisstraat was een verrassende ontdekking en dat na jarenlange aandacht voor straatvernoemingen van wetenschappers in de Watergraafsmeer. Het is een aantrekkelijk, kort, doodlopend straatje opzij van de Pasteurstraat achter de Koningskerk. Nu staan daar nieuwbouw gezinswoningen in witte baksteen, passend bij de kenmerkende Jeruzalembebouwing.
Galileo Ferraris (1847-1897), de Turijnse hoogleraar technische natuurkunde, heeft zijn straatnaam te danken aan experimenten waarmee hij ’s werelds eerste, goed werkende elektrische wisselstroommotor tot stand bracht. Het was 1885. Ferraris was zich bewust dat deze motor succes te wachten stond, maar dat was niet wat hem als experimentator bezig hield. Hij deelde het werkingsmechanisme en de constructie met studenten en belangstellenden en publiceerde er pas in 1888 over. Patent aanvragen deed hij niet.
Inductie
Ferraris’ experimenten als ingenieur pasten helemaal in het wetenschappelijk onderzoek naar elektromagnetische verschijnselen en praktische toepassingen daarvan in de laatste decennia van de 19de eeuw. De uitvinding van de telegraaf en de radio, de brede toepassing van gloeilampen en de ontdekking van röntgenstralen zijn daar enkele voorbeelden van. Voor de krachtwerking / energie-uitwisseling, heen en terug, tussen magnetisme en elektrische stroom in de transformator – zonder dat sprake is van direct contact – was het begrip ‘elektromagnetische inductie’, of kortweg ‘inductie’, al vijftig jaar eerder gemunt door Michael Faraday – vernoemd in de Faradaystraat in Middenmeer.
Kracht op afstand
Faraday’s jarenlange experimenteren met en demonstraties van deze wisselwerking hadden al getoond dat een elektrische stroom op enige afstand een beweging kan geven. De Engelse natuurkundige William Sturgeon (1783-1850) ontwikkelde aan de hand van het concept ‘inductie’ een betrouwbare elektromagneet bestaand uit een winding / spoel van geïsoleerd koperdraad. Vervolgens lukte het hem al in 1832 met zijn magneten een gelijkstroomelektromotor te construeren. De door hem bedachte automatisch omkering (commutatie in vakterm) van de stroomrichting na een halve rotatie maakte deze motor mogelijk. Een blijvend succes in toepassingen bleef uit; problemen met batterij-technologie waren ook toen al een beperkende factor.
Gelijkstroom
Sturgeons concept voor de gelijkstroommotor werd in 1873 herontdekt en dat is een bijzonder verhaal. Elektrische stroom beschikbaar maken zonder gebruik van batterijen was lang een uitdaging. Daartoe werd de generator ontwikkeld uitgaande van inductie – een draaibeweging / rotatie van bijvoorbeeld een waterrad wordt mechanisch overgebracht op een as waarop een magneet gemonteerd is; draaiing van de magneet induceert stroom in de koperdraadwinding / spoel die vast gemonteerd is, vlakbij maar zonder contact met de draaiende magneet. Sturgeons commutatie werd toegepast om ervoor te zorgen dat gelijkstroom geproduceerd werd. Verrassend genoeg, maar achteraf volstrekt logisch bleek een goede gelijkstroomgenerator qua opzet precies op Sturgeons gelijkstroommotor!
Stroom en beweging
Een oude passende naam voor elektromotor is ‘inductiemachine’. Bij de door Ferraris gekozen constructie leveren vier kruislings geplaatste elektromagneten – ieder aangesloten op wisselstromen, met steeds een kwart fase verschil – na elkaar magnetische velden in een richting die 90 graden gedraaid is, het magnetische veld blijkt zo bijkans rond te draaien; de rotatie van de op de centrale as geplaatste magneet wordt daardoor geïnduceerd. Deze opstelling maakt dat de motor op gang komt bij inschakelen van de stroom. In 1887 toonde in Duitsland Friedrich August Hasselwander – helemaal vergelijkbaar met Ferraris’ 4-fase opzet – dat een 3-fase opzet met 120 graden opvolgende magnetische velden ook prima werkt. Deze wisselstroomgenerator die beweging omzet in stroom blijkt bij omgekeerd gebruik een wisselstroommotor die stroom omzet in beweging. Een wisselstroommotor oftewel generator heeft Sturgeons principe van commutatie niet nodig!
Ego’s
In de laatste decennia van de 19de eeuw was in de toegepaste wetenschap met name in de Verenigde Staten veel aandacht voor elektriciteit. Technische vooruitgang, grote commerciële belangen en de ego’s van uitvinder-tycoons domineerden het beeld. De namen van Thomas Alva Edison en George Westinghouse (beiden met een straatvernoeming in de Watergraafsmeer) horen bij die periode. Eén van de grote kwesties die speelde rond elektriciteit en elektriciteitsnetten betrof de keuze tussen wisselstroom en gelijkstroom; Edison bepleitte gelijkstroom en Westinghouse verkoos wisselstroom. De derde naam die naast deze mannen die als mede-uitvinder, medewerker, collega en als concurrent genoemd moet worden is Nicola Tesla, Servisch emigrant in de USA. De Watergraafsmeer kent een Teslatoren, en het slimme gebruik van zijn naam als merk voor een elektrisch aangedreven auto heeft Tesla een bekende klank gemaakt. Nicola Tesla verwierf enkele tientallen US-patenten waaronder patent voor de wisselstroommotor van 1888, dat opvallend hetzelfde principe en opzet als dat van Ferraris’ motor beschreef.
Als briljant elektrotechnicus met visionaire ideeën over een wereld die totaal op beschikbaarheid van elektrische energie ingesteld is, experimenteerde Tesla met transformatoren, bliksem en hoogspanning. Bij de Niagara waterval plaatste hij 3-fase generatoren en hij installeerde hoogspanningsleidingen naar gebruikers. Tesla’s wisselstroom bleek superieur bij generatie en transformatie.
Elektrische tandenborstel
Over de hele wereld is driefase wisselstroomopwekking sindsdien de norm in combinatie met hoogspanningsnetten voor elektriciteit-transport. In het landschap is dit herkenbaar aan meerdere clusters van steeds drie draden van mast naar mast. Energiebedrijven leggen overal 3-fase elektriciteitsnetten aan; standaard wordt per woning of per elektragroep slechts één fase, 230 volt, aangesloten. Krachtstroom, 3-faseaansluiting 400 volt, is de norm bij zware apparatuur. In de moderne keuken wordt nu voor verhitting vaak gekozen voor de inductiekookplaat. De verhitting door een kringstroom in de bodem van de pan heeft krachtstroom nodig. De verwondering en fascinatie met inductie van de19de-eeuwse onderzoekers leeft voort in een begrip dat het dagelijks leven is binnengekomen. Nota bene: de batterij van de elektrische tandenborstel wordt met inductie opgeladen.
Elektro of verbranding
De voordelen van elektromotoren ten opzichte van benzine- of dieselverbrandingsmotoren zijn:
- bij inschakelen van de stroom loopt de motor uit zichzelf zonder een startmotor nodig te hebben,
- het aantal bewegende delen en dus de plaatsen waar slijtage op kan treden zijn beperkt tot één as,
- er zijn geen uitlaatgassen en duurzaamheid is binnen bereik en
- de omvang van de motor is gering bij vergelijkbare prestaties.
De huidige energietransitie, weg van fossiele brandstof, jaagt het succesverhaal van de elektromotor naar nieuwe hoogten. Vanaf de jaren vijftig vorige eeuw zijn 1-fase elektromotoren in het leven van alle dag van ieder huishouden te vinden in keuken-, was-, koel- en klusapparatuur. In het transport zijn elektrisch aangedreven auto’s en fietsen niet meer weg te denken. De vraag naar steeds meer ‘stroom’ via het ‘net’ voor elektrische aandrijving is een actueel onderwerp. Lang leve de elektromotor!
