Werking, typen, magneten en toepassingen
Elektromotoren vormen het kloppend hart van elektrische voertuigen (EV’s). Ze zetten elektrische energie uit het accupakket om in mechanische energie om de wielen aan te drijven. Er bestaan verschillende typen elektromotoren met elk hun eigen voor- en nadelen, afhankelijk van hoe ze hun magnetisch veld opwekken, of ze permanente magneten gebruiken, en of de rotor synchroon draait met het wisselend veld van de stator.
Werking van de elektromotor uitgelegd.
Synchrone versus asynchrone motoren
Synchrone motoren
Bij een synchrone motor draait de rotor exact in fase (synchroon) met het roterende magnetisch veld van de stator. Deze motoren gebruiken doorgaans permanente magneten of een elektrisch bekrachtigde rotor om het veld op te bouwen. Ze zijn zeer efficiënt, vooral bij lage tot gemiddelde snelheden, en worden vaak toegepast in moderne EV’s.
Voordelen:
- Hoge efficiëntie
- Compact en licht
- Goede prestaties bij lage snelheden
- Geschikt voor regeneratief remmen
Nadelen:
- Vaak afhankelijk van zeldzame aardmetalen (permanente magneten)
- Duurder in productie
Asynchrone motoren (inductiemotoren)
Bij een asynchrone motor draait de rotor iets trager dan het magnetisch veld (slip). De rotor bestaat meestal uit een geleidende kooi (kooi van Faraday), waarin door inductie stromen opgewekt worden die zelf een magnetisch veld creëren. Deze motoren vereisen geen permanente magneten.
Voordelen:
- Robuust en betrouwbaar
- Geen zeldzame aardmetalen nodig
- Goedkoper in productie
Nadelen:
- Lager rendement, vooral bij lage belasting
- Iets groter en zwaarder bij gelijk vermogen
Overzicht van elektromotor-typen in EV’s
1. PMSM – Permanent Magnet Synchronous Motor
Een veelgebruikte synchrone motor waarin krachtige neodymiummagneten in de rotor zijn ingebouwd. Dit type levert hoge efficiëntie en vermogen in een compact formaat. Veel moderne EV’s gebruiken PMSM’s, waaronder de Tesla Model 3 (achteras) en Hyundai Ioniq 5.
2. IM – Induction Motor
De klassieke asynchrone motor, beroemd geworden door de eerste Tesla’s Model S. Hij gebruikt geen magneten en is goedkoper te produceren. De rotor is een geleider waarin wervelstromen ontstaan. Nadeel: lager rendement dan PMSM’s. Tesla gebruikt dit type motor nauwelijks meer en is toch overgestapt op permanente magneet motoren. Omwille van de efficientie.
3. SRM – Switched Reluctance Motor
Deze motor werkt zonder magneten of inductiestromen, maar benut de natuurlijke ‘reluctantie’ (weerstand) van het rotorstaal tegen magnetische velden. Door schakeling van statorvelden roteert de rotor naar de positie van laagste magnetische weerstand. Dit type is efficiënt en goedkoop, maar produceert vaak meer geluid/trillingen. Wordt o.a. door Nissan in hybride-achtige systemen toegepast.
4. CESM – Current-Excited Synchronous Motor
Dit type motor wordt onder andere door BMW gebruikt. Het is een synchrone motor zonder permanente magneten. In plaats daarvan wordt het magnetisch veld in de rotor opgewekt door een elektrische stroom via sleepringen, wat het mogelijk maakt om zeldzame aardmetalen volledig te vermijden. Nadeel is de iets complexere rotorstructuur (door bekabeling en sleepringen).
Verschillen in magneetgebruik
| Type motor | Permanent magneten | Bekrachtigde rotor | Synchroon of Asynchroon |
|---|---|---|---|
| PMSM | ✅ | ❌ | Synchroon |
| Induction Motor | ❌ | ❌ | Asynchroon |
| Switched Reluctance | ❌ | ❌ | Synchroon |
| CESM | ❌ | ✅ | Synchroon |
Strategische en duurzame overwegingen
Zeldzame aardmetalen
Permanentmagneetmotoren vereisen meestal neodymium, dysprosium en terbium – zeldzame aardmetalen die vooral uit China komen. Dat zorgt voor geopolitieke afhankelijkheid, milieu-impact en prijsschommelingen.
Duurzame alternatieven
Autofabrikanten zoals BMW, Renault en Mercedes-Benz investeren daarom in motoren zonder permanente magneten (zoals CESM en SRM), of in recyclingtechnologieën. Tegelijk wordt er onderzoek gedaan naar nieuwe magneten op basis van alternatieve legeringen, zoals ijzer-nitride.
Conclusie
De keuze voor een bepaald type elektromotor in een elektrische auto is sterk afhankelijk van de prioriteiten van de fabrikant:
- Rendement en prestaties → PMSM
- Kostenefficiëntie en robuustheid → Inductiemotor
- Duurzaamheid en materiaalonafhankelijkheid → CESM of SRM
In de toekomst verwachten we een verschuiving richting magnetenvrije of recyclebare motortypen, mede door strategische zorgen rond grondstoffen. Tegelijk blijft de permanente magneetmotor voorlopig dominant vanwege zijn compacte bouw en hoge prestaties.
