Elektromotoren

De elektromotoren zijn één van het meest waardevolle uitvindingen. Deze worden overal gebruikt.
Pompen, Ventilatoren, compressor, versnellingsbak, alle aandrijvingen.

Een schematisch overzicht van elektromotoren wordt door electricalworld 2021 hieronder gegeven:

Magnetische inductie

Magnetisch veld

Een magneet heeft altijd twee polen: Noord(N) en een Zuid(S). Het veld stroomt van het Noorden naar het Zuiden.
In de magneet gaat het van Zuid(S) naar Noord.
Dit veld kan van invloed zijn op metalen, die elektronen in zich hebben. Of ander magneten, die kunnen daardoor worden aangetrokken of afgestoten.

De aarde heeft ook een magnetisch veld het Magnetisch aardveld.
Vanwege het vloeibare metalen(ijzer en nikkel, het magma) in de aarde.
De Noordpool is eigenlijk een magnetisch Zuidpool.

Er bestaan twee soorten van magneten:

• Permanente magneten: grondstoffen die permanent magnetisch zijn. Deze zijn in het verleden ontstaan onder invloed van het aardmagnetisme;
• elektronische magneten: Deze worden magnetisch, wanneer er stroom door heen gaat. Deze kunnen we aan en uit zetten.

Elektromagneet

Een elektromagneet is een spoel met een ijzeren kern.

Door de koperen omwikkelingen, die om de ijzeren kern, gaat een elektrische stroom.
Onderstaand zijn de magneetvelden weergegeven:

Men mag magnetische velden bij elkaar optellen, als deze parallel en in dezelfde richting wijzen. Omdat de spoel rond is, zal in de kern een sterke magnetisch veld ontstaan. Veel sterker dan buiten de spoel.
De richting van het magnetisch veld kan gevonden worden door de rechterhand regel ook wel de kurkentrekker regel genoemd.

De Ampèrestroom I, gaat evenwijdig met de rechtersvingers mee en de rechter-duim wijst de richting van het magnetisch veld aan "B".

Wanneer de Ampèrestroom omdraait in de spoel verandert ook de magneetpolen.
Het N verandert in het Z(S).

De sterkte van het magnetisch veld hangt af van de kern. De mate van de geleiding van het magnetisch veld wordt de permeabiliteit genoemd. Magnetische permeabiliteit wordt uitgedrukt in μ [H/m].
Waarin H staat voor Henry, een Amerikaans natuurkundige Jozef Henry.
Vaak wordt μ_r =μ/μ₀ waarin μ₀ = 10 ^-7 [H/m]

Grootte Magnetisch veld B

Het magnetisch veld in de spoel wordt uitgedrukt in B [Tesla]

B=μ₀.μ_r.I.(N/L)
Waarin:

• μ_r = magnetische permeabiliteit [-]
• I=stroom [A]
• N=aantal wikkelingen [-]
• L=lente[m]

De verhouding (N/L) wordt ook wel de wikkeldichtheid genoemd.
Bovenstaande formule geldt alleen als de lengte 'l' langer is dan de diameter 'd'.

Elektronen en magnetisme

Elektronen draaien om de kern van een atoom.

De kern van een atoom bestaat uit protonen en neutronen. De elektronen die om de kern van een atoom heen draaien zijn kleiner dan de kern van de atoom.

De elektronen zijn niet per definitie vast aan een atoom verbonden.
Verschillende materialen, zoals de metalen zilver, ijzer, koper, aluminium en goud, is het mogelijk dat een elektronen los gemaakt kunnen worden van het atoom zodat de elektronen zich vrij kan bewegen tussen andere atomen door. De vrije elektronen.
De materialen waarin elektronen goed vrij gemaakt kunnen worden van atomen zijn goede geleiders.

De elektronen kun je in beweging brengen met een magnetisch veld.
De voorwaarden hiervoor zijn:

• De elektronen bewegen in het magnetisch veld.
• Of het magnetisch veld beweegt.
• De magnetische veldsterkte veranderd;

Lorenz kracht

De werking van de elektromotoren wordt veroorzaakt door de Lorentz kracht.

In de natuurkunde wordt het verschijnsel met twee regels beschreven:

• Rechterhand regel;
• Linkerhand regel;

Rechterhand regel

Het verschil tussen de rechterhand regel en de linkerhand regel gaat over hoe de duim aan de hand zit.

De rechterhand regel geeft aan hoe de bewegingsrichting van het magnetisch veld zich verhoud t.o.v. de Ampèrestroom.
Niet de elektronenstroom, die gaat juist de andere kant op.

De duim is richting de Ampèrestroom "I"
De Ampèrestroom I stroomt van de bewegingsrichting van de positief ladingsdragers naar negatief.
De elektronen stromen van negatief naar positief.
De vingertoppen geven de Noordpool-richting van het magnetisch veld weer "B"

Linkerhand regel

Met de linkerhandregel wordt nagegaan in welke richting de Lorenz kracht werkt.

Een magnetisch veld kan een kracht uitoefenen op een bewegend geladen deeltje. Deze heet de Lorentzkracht

Eigenschappen van de Lorenz kracht:

• De Lorentzkracht staat loodrecht op de geladen deeltje
• De Lorentzkracht staat loodrecht op de richting van het magnetisch veld
  (N → Z(S))

De magnetische kracht B van Noord naar Zuid(S) gaat je linkerhand in.
Je handpalm is het Noorden.

F_Lorentz= B*I*L eenheid [N]

• B= grootte van het magnetisch veld [Tesla]= [N/A.m];
• I= grootte van de stroom [Ampère];
• L= de lengte van de draad in het magnetisch veld [m];

Soms komt het voor dat de stroomsterkte I niet loodrecht op B staat. Het deel dat evenwijdig aan B is zal niet mee doen aan de Lorentzkracht.
We nemen bij de berekening de loodrechte component van I_⊥.

Wat is de stroomsterkte I ?
De stroomsterfte I is de hoeveelheid lading die per seconde langs komt.
I= Q/t [A]

Waarin:

• Q= lading[ coulomb]
• t= tijd [s]

Vullen we dit gegeven in in de berekening van de Lorenztkracht:

F_Lorentz= B*I*L = B.Q.L/t =B*Q*v
v= snelheid

F_Lorentz= F_{middel_punt_zoekende_kracht}= m.r.v²

B.Q=m.v/r=m.ω

ω= de hoeksnelheid [rad/sec]

Elektromotoren

De Lorentzkracht is in een elektromotor
F_Lorentz= N*B*I*L

• B = grootte van het magnetisch veld [Tesla]= [N/A.m];
• I = grootte van de stroom [Ampère];
• L = de lengte van de draad in het magnetisch veld [m];
• N = aantal windingen in een spoel [-];

Opwekken van een 3-fase elektrische stroom

In de stator zijn twee tegen elkaar overstaand wikkelingen van koper en is een verbinding gevormd. Koper heeft een vrije elektron in zijn buitenste schil, dat zich vrij kan bewegen.
In de as is een magneet, dat rond draait. Wanneer we de magneet ronddraaien zal het magnetisch veld de vrije elektronen in de spoel in beweging brengen.
Magnetische velden van de magneet laten deze vrije elektronen bewegen in een bepaald richting door de spoel. De magnetisme van de Noordpool zal de elektronen duwen in een positieve richting.
De Zuidpool trekt de elektronen weer terug, waardoor er negatieve waarden ontstaan.
De snelheid van de elektronen in de winding verlopen sinusvorming.
Dit wordt frequentie in Hz genoemd. Het bepaald het aantal omwentelingen dat de magneet roteert. 50/60 [Hz]
Dit is fase 1(rood).

Wanneer we een nieuwe winding plaatsen onder een hoek van 120 graden (1/₃). Hebben we een fase-2(groen/blauw).
Een fase-3(geel) krijgen we wanneer we een winding plaatsen op 240 graden (2/₃).
Elk winding geeft een sinusgolf in de tijd.

Er zijn 3 spoelen en 6 draden, waardoor heen een stroom loopt.
Deze kunnen we vervangen door 3 draden en een neutrale draad.

Elektromotoren kunnen worden onderverdeeld in:

• AC-motor: wisselstroom motor
• DC motor: gelijkstroom motor

De wisselstroom motoren kunnen worden onderverdeeld in :

• Inductie motor
• Synchroon motor
• Lineair motor

Wat heb je nodig om waterstof te maken ?

Een scheikunde leraar op YouTube Tim van Waardenburg, legt uit hoe je door elektrolyse waterstof kan maken.

Dit laat hij zien doormiddel van een toestel van Hofmann en een animatie.

In het toestel van Hofman wordt water gescheiden in zuurstof O₂ en waterstof H₂. Er zijn 3 buizen. één voor het afvangen van zuurstof O₂ en een middelste voor het toevoegen van water en het derde voor het afvangen van waterstof H₂.

2H₂+ Elektriciteit → 2H₂ + O₂

Het energieverlies is (50 - 70)% in de energieomzetting.

Volgens Martien Visser kost 1 [kg] waterstof 40 kWh aan elektriciteit.

Waterstof in de praktijk

Waterstof wordt in kilogram afgerekend omdat het gewicht van een gas onafhankelijk is van druk en temperatuur.
Voor de opslag en het transport van waterstof wordt waterstof afgekoeld naar de temperatuur van 20,28 [K] dat is een graden Celsius −252,87 °C.
Op dit kookpunt verandert waterstof van gasvormig naar vloeibaar. De zeer lage temperatuur in combinatie met de hoge ontvlambaarheid van waterstof maakt het een relatief gevaarlijk materiaal.
Het gas wordt goed opgeslagen in goed geïsoleerde tanks.

De tanks heten Dewarvat

Een vat met:

• met een dubbele wand, vaak van spiegelend glas ter voorkoming van stralings-overdracht;
• tussen de wanden wordt vacuüm gezogen daardoor treedt vrijwel geen warmtetransport door geleiding op;

Vernoemd naar de Schotse natuurkundige Sir James Dewar. Hij slaagde in 1898 om waterstof-gas vloeibaar te maken.

Om gasvormige waterstof om te zetten naar vloeibare waterstof, wordt het gas afgekoeld met een methode Regeneratieve koeling tot een onder een temperatuur van - 252,9 °C. Door het gas op hoge druk (350–700 bar) te brengen, wordt het gas vloeibaar. Dit gebeurt middels compressoren en warmtewisselaars.
In vloeibare vorm wordt de dichtheid van waterstof namelijk maar liefst 800 keer vergroot. ρ = 7,1904 [kg/m³].

Aan de pomp betaalt men voor 1 [kg] waterstof 10 [euro/kg]

Hoe transporteer je waterstof

Enkele meest voorkomende toepassingen zijn :

• Gasvormige onder druk van max. 700 [bar] b.v. tanks;
• Waterstof toegevoerd aan een chemische verbinding, zoals Ammoniak NH₃ Ammoniak is al vloeibaar bij -33°C. Men zou Ammoniak als brandstof kunnen gebruiken.
  Mierenzuur CH₂O₂ is ook transportstof;
• Vaste(-259,2 °C )
  vloeibare(min. -252,77 °C) waterstoflevering;

Een interessante optie is Liquid organic hydrogen carriers Het gebruik van vloeibare organische waterstofdragers maakt het mogelijk om waterstof te transporteren op normale druk en temperatuur In standaardcontainers. Waterstof komt vrij door een dehydrogenatieproces op de bestemming.

In Australië(Csiro) hebben wetenschappers een membraan ontwikkeld, die waterstof scheidt van Ammoniak. Verschillende voertuigen zijn getest op het gebruik van deze membraan.

Het medium Ammoniak

Ammoniak is een anorganische verbinding van stikstof en waterstof met als brutoformule NH3.
Ammoniak is bij kamertemperatuur een kleurloos, giftig gas met een karakteristieke, sterk prikkelende geur.

Omdat het kookpunt bij −33 °C ligt is het niet moeilijk om met vloeibaar ammoniak te werken, hetzij bij lagere temperaturen of wat hogere drukken.
Als vloeistof heeft ammoniak op water gelijkende eigenschappen omdat het molecuul een dipool heeft en ook deze moleculen onderling waterstofbruggen vormen.

Ammoniak is onder juiste omstandigheden bruikbaar als (motor)brandstof ?
4NH₃ +3O₂ → 2N₂ + 6H₂O

Verzuring

De uitstoot van 2N₂ leidt tot helaas verzuring van het milieu.
2NO₂ +HO₂ → HNO₂ + HNO₃.
HNO₃ = Salpeterzuur.
Dit vormt het probleem ?

Inductie motor

De Inductie motoren kunnen worden onderverdeeld in :

• Enkele fase
• Drie fasen

Deze motoren zetten elektrische energie om in mechanische energie om werktuigen aan te drijven.

Enkelfase motor

Men noemt dit ook de capaciteit motor. De werking van deze motor is vergelijkbaar met de 3-fase motor.

De stator bestaat uit een holle cilinder met gleuven gelijk verdeeld.

drie fasen motor

De 3-fasen motor zet elektrische energie om in mechanische energie. Het wordt gebruik als men grote mechanische kracht nodig heeft.

Stator

Binnen de motor ligt de stator, deze beweeg niet.

De stator bestaat uit een aantal draadwindingen tussen gelijk verdeeld sleuven. De draden van de windingen zijn gecoat met een speciale laag geëmailleerd, het aanbrengen van een glasachtige glazuurlaag op metaal, zodat geen verbinding gemaakt kan worden tussen de draden. Dit betekent dat de elektronen stromen door de draad of door een winding.

De 3-fase motor heeft 3 aparte windingen in de stator. Elke winding wordt verbonden met een fase van het elektriciteitsnet.
De windingen van één fase staan tegenover elkaar en wekken elektromagnetische veld op. Er zijn drie windingen, die onder een hoek van 120 graden staan.
Daardoor wekt de stator een roterende elektromagnetische veld op.
LINKSOM, met tegen de wijzers van de klok in. Deze heeft invloed(inductie) op de Rotor
De uiteinden van de windingen van de stator worden verbonden met de elektrische klemmenbox en daarmee met het elektriciteitsnet.

Rotor

Binnen de stator is een gelagerde rotor. Het kan in de stator draaien. De rotor lijkt op een eekhoorn-rotor.
De rotor bestaat uit een 2 parallelle plaat, waartussen staven zijn verbonden, die allemaal samen roteren.

In de kooi zijn gelamineerde platen aangebracht. De platen helpen het magnetische veld van de stator te concentreren.

Werking van de Rotor rotatie

Wanneer elektronen door een draad heen gaan. Een elektromagnetische veld is ontwikkeld. We kunnen dit zien door een kompas langs de draad te plaatsen. Wanneer de stroom in tegengestelde richting gaat wijzigt ook de richting van de magnetische veld.

Hoe kunnen groene waterstof in Suriname produceren?

Waterstof speelt een belangrijke rol in de omzetting naar een duurzame energievoorziening.
De Afobakadam is een stuwdam met een opstaande stuwmuur in de Surinamerivier. De dam bevindt zich in de buurt van Afobaka in Brokopondo in Suriname. We bestuderen hoe duurzaam de afobakadam kan zijn.

De waterkrachtcentrale wekt 180 megawatt op.[lit.2]

Nemen we energieverliezen van 75 % dan kan deze waterkrachtcentrale 3375 [kg/uur] waterstof produceren.

180.000*0,75/40 =3375 [kg/uur]

Ontwikkelingen in 2021

Het Deense bedrijf Hybrid Power System Group (HPSG) gaat 1,2 miljard dollar (ruim 1 miljard euro) investeren in de bouw van een grote waterstofcentrale in Suriname. De verwachting is dat dit project minstens zeshonderd banen voor Suriname oplevert, bleek zaterdag bij een persconferentie op het ministerie van Buitenlandse Zaken in Paramaribo.

Om de waterstofcentrale te laten draaien is veel energie nodig. Het Deense bedrijf begint daarom met de bouw van een zon- en windenergiecentrale van 100 megawatt op een oude plantage in het district Commewijne in het oosten van Suriname. Volgens directeur Benny Falk van HPSG is dit een ideale locatie vanwege de ruimte en de lage grondprijzen. De nabijgelegen rivier en oceaan maken het transport van waterstof relatief makkelijk.

100.000*0,75/40 =1875 [kg/uur]

Het rendement 0,75 zal kleiner zijn in verband met zonnepanelen en windenergie.

We blijven benieuwd in deze duurzame ontwikkelingen !!