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. 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.
De term elektrische auto heeft te maken met de aandrijflijn en dan met name de elektromotor. Het belangrijkste kenmerk van een elektrische auto is de motor. Dat is een elektromotor in plaats van een verbrandingsmotor. Deze motor wordt dus niet aangedreven door benzine of diesel, maar door elektriciteit van een batterij.
De elektrische auto is in feite een relatief eenvoudig concept. Anders dan bij een conventionele auto heeft de elektrische auto geen versnellingsbak. Dit scheelt een hoop onderhoud, geluid en vieze handen.
De Basis van de 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.
In een elektromotor wordt een elektrische stroom omgezet in een ronddraaiende beweging. De beweging ontstaat doordat twee magneetpolen elkaar aantrekken of afstoten:
Lees ook: Elektrische Auto Pechhulp
- Een noordpool en zuidpool trekken elkaar aan;
- Twee noordpolen stoten elkaar af;
- Twee zuidpolen stoten elkaar af.
Een magneet heeft een noord- én zuidpool met een tegengestelde lading. Meerdere magneetpolen (noord- en zuid) staan vast aan de behuizing. Tussen de noord- en zuidpool heerst een magnetisch veld. De uitgaande as (het anker) draait als gevolg van verandering in het magnetisch veld.
Hoe werkt een elektrische auto?
Verschillende Typen Elektromotoren
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. 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.
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. De stroomsterkte bepaalt met hoeveel kracht de rotor naar de magneet wordt getrokken (koppel), de rotatiesnelheid het vermogen (kW).
De synchroonmotor van de Porsche Taycan.
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. 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.
Lees ook: Hoe elektrische auto's opladen?
BMW’s synchroonmotor met elektromagneet.
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. 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 asynchroonmotor van de Audi E-tron S.
De Rol van de Omvormer
De omvormer, ook wel bekend als de vermogensomzetter, is verantwoordelijk voor het omzetten van de gelijkstroom (DC) die wordt geleverd door de batterij naar de wisselstroom (AC) die de elektromotor nodig heeft om te werken.
Voordelen van Elektromotoren
Een elektromotor levert - in tegenstelling tot een verbrandingsmotor - een enorm hoog koppel. Dat is bovendien al vanaf nul toeren beschikbaar. Die elektromotor is zonder tussenkomst van een koppeling of versnellingsbak met de wielen verbonden. Als een elektrische auto stilstaat, draait de elektromotor dus ook niet.
Een ander belangrijk voordeel van een elektromotor is het feit dat de motor ook kan worden gebruikt om behoorlijk krachtig af te remmen. Dat is ook een redelijk noodzakelijk iets. Doordat men bij een elektrische auto vrij veel of zelfs overwegend met de motor afremt, wordt er ook weer energie teruggewonnen. Dat proces noemen we het regenereren van energie. De motor werkt tijdens het remmen namelijk als een dynamo of generator. Dat is vooral te merken tijdens het rijden in de bergen.
Dankzij het enorm hoge koppel, dat direct beschikbaar is, reageert een elektrische auto heel vlot op het gaspedaal. Omdat daarbij ook het geluid van de verbrandingsmotor ontbreekt, lijkt een elektrische auto nóg sneller op het gaspedaal te reageren. Dat is uiteraard even wennen.
Lees ook: Elektrisch rijden: private lease
Een elektrische aandrijflijn bevat dus veel minder mechanische onderdelen dan een auto met benzine- of dieselmotor. Hoe minder onderdelen, hoe minder er ook kapot kan gaan. Daardoor hebben elektrische auto’s het voordeel dat ze niet alleen veel minder CO2-uitstoot veroorzaken en goedkoper qua energie zijn maar ook voordeliger in onderhoud zijn.
Omdat de motorruimte ook veel kleiner kan zijn, is de wielbasis (afstand tussen voor- en achteras) doorgaans vrij groot. Daardoor hebben elektrische auto’s een relatief grote binnenruimte, vaak zelfs een ‘klasse’ groter.
Nadelen van Elektromotoren
Hoewel elektrische automotoren veel voordelen hebben, zijn er ook enkele nadelen waar rekening mee moet worden gehouden:
- Elektrische voertuigen hebben over het algemeen een beperktere actieradius in vergelijking met voertuigen op brandstof.
- Het opladen van elektrische voertuigen vereist een laadinfrastructuur die nog niet zo wijdverspreid is als tankstations voor benzine of diesel.
- Batterijen zijn een belangrijk onderdeel van elektrische voertuigen en kunnen kostbaar zijn om te produceren en te vervangen.
- Batterijen voor elektrische voertuigen kunnen omvangrijk en zwaar zijn, wat de algehele gewichtsverdeling van het voertuig kan beïnvloeden.
- De productie van batterijen en het beheer van afgedankte batterijen kunnen milieu-impact hebben.
- Elektrische voertuigen zijn afhankelijk van een betrouwbare elektriciteitsvoorziening.
Conclusie
De elektrische auto is een relatief eenvoudig concept met een elektromotor als kernonderdeel. Er zijn verschillende types elektromotoren, elk met hun eigen voor- en nadelen. Ondanks enkele nadelen, blijven elektrische auto’s naar verwachting een steeds grotere rol te gaan spelen in ons leven. Zeker omdat fabrikanten blijven werken aan het wegnemen van nadelen.