Dries van den Elzen Nieuws 10 aug 2023, 11:53

Leestijd: 4 minuten

Hoe werkt een elektromotor en welke typen zijn er?

Elektrische auto’s zijn voor velen nog nieuw en roepen veel vragen op. In dit artikel geven we antwoord op veel van die vragen met betrekking tot elektromotoren. Hoe werkt een elektromotor en welke verschillende typen zijn er eigenlijk?

Het is voor een verstokte autoliefhebber vast even wennen om de aandacht te moeten verleggen van zoiets innemends als een V12 met rode inlaatkelken, een tandwielenarrangement als van een mechanisch horloge en al het bijbehorende drama, naar de anonieme zoemende dozen die de aandrijving in elektrische auto’s verzorgen. Toch is wat er zich daarin allemaal afspeelt in zekere zin net zo fascinerend.

Stator en rotor (elektromotor)

De werking van de elektromotor is sinds de uitvinding ervan begin 19e eeuw niet wezenlijk veranderd, maar op detailniveau zijn er vanzelfsprekend grote stappen gezet. Het werkend principe is nog altijd hetzelfde: een elektromotor bestaat uit een trommelvormig stilstaand element (de stator), met daarin een roterend element (de rotor). Beide onderdelen zijn magnetisch en trekken elkaar aan. Door het magnetisch veld door de stator te laten roteren, wordt de rotor als het ware meegetrokken, waardoor hij gaat draaien.

Brandveiligheid, grondstoffen en opladen: Verschil accu’s elektrische auto’s uitgelegd

Er zijn talloze variaties op dit thema, maar in de auto-industrie wordt momenteel gebruikgemaakt van drie typen elektromotoren. Alle drie worden ‘aangedreven’ door driefasenstroom. Dat is wisselstroom (AC), waarbij drie ‘spanningsgolven’ op gelijke afstand van elkaar oscilleren. Driefasenstroom wordt opgewekt middels een generator waarin een magneet ronddraait en om beurten één van drie spoelen passeert. Bij elke passage wordt een spanningsgolf opgewekt.

Magnetisch veld elektromotor

Een driefasenmotor werkt feitelijk precies omgekeerd. De drie fasen zijn, eveneens 120 graden van elkaar versprongen, aangesloten op de stator, waardoor het magnetisch veld steeds een stap opschuift en de rotor meetrekt. De in de auto-industrie toegepaste AC-driefasenmotoren zijn in drie typen onder te verdelen. Elk heeft uiteraard zijn voor- en nadelen, hoewel je daar als eindgebruiker in de praktijk niets van merkt. De wijze waarop een e-motor zijn vermogen loslaat, is vrijwel volledig afhankelijk van de manier waarop het motormanagement wordt geprogrammeerd.

Synchroonmotor met permanente magneet

Veruit het meest gebruikte motortype is de synchroonmotor met permanente magneet. Daarvan bestaat de stator uit wikkelingen van draad die onder spanning een magnetisch veld opwekken, en een rotor bestaande uit een soort trommel, ingepakt met magneten. Zoals de naam al impliceert, zijn dit geen elektromagneten, maar permanent gemagnetiseerde repen metaal.

De stroomsterkte bepaalt met hoeveel kracht de rotor naar de magneet wordt getrokken (koppel), de rotatiesnelheid het vermogen (kW). De term ‘synchroonmotor’ slaat op het feit dat de rotor op kruissnelheid exact synchroon loopt met het magnetisch veld van de stator.

Synchroonmotor met elektromagneet

Een variatie op hetzelfde thema is de synchroonmotor met elektromagneet, zoals toegepast in onder andere de Renault Zoe en BMW’s 5e generatie EV-aandrijflijn die onlangs debuteerde in de iX3. De werking hiervan is in principe identiek aan de synchroonmotor met permanente magneet (PMSM), met als grote verschil dat voor de rotor gebruikgemaakt wordt van elektro- in plaats van permanente magneten.

Omdat zowel rotor als stator moeten worden voorzien van elektrische stroom, zijn dergelijke motoren iets minder efficiënt en complexer qua constructie, maar het evidente voordeel is dat je voor de productie ervan niet afhankelijk bent van zeldzame aardmetalen (zoals neodymium en boron) die nodig zijn in permanente magneten. Ter illustratie: een gemiddelde PMSM van 100 kW bevat circa 1,2 kilo aan zeldzame aardmetalen.

Asynchroonmotor

Het derde type elektromotor is de asynchroonmotor. Deze is onder meer te vinden in de Audi E-tron en diverse Tesla’s. Net als in een synchroonmotor bestaat de stator uit draadwikkelingen waarin een roterend magnetisch veld wordt opgewekt. Het verschil zit ‘m in de rotor. Die bestaat uit een soort metalen, cilindervormige kooi, vanwege de gelijkenis wel ‘hamsterwiel’ genoemd.

De stroom die door de stator vloeit, wekt via inductie stroom en daarmee magnetische velden op in de rotor, die aangetrokken worden door het roterende veld in de stator. Typerend voor het opwekken van dat magnetische veld in de rotor is dat het altijd een paar procent langzamer draait dan het magneetveld van de stator, ‘asynchroon’ dus. Vanwege die ‘slip’, alsook de verhoogde luchtweerstand in de motor is een asynchroonmotor minder efficiënt dan een synchroonmotor. De reden dat hij toch toegepast wordt, is de lagere prijs en de simpele en sterke constructie.