Deze elektromotoren zijn er en dit zijn de verschillen

Net als verbrandingsmotoren kennen we ook elektromotoren in verschillende soorten, met alle bijbehorende karaktereigenschappen. Verschillende typen elektromotoren hebben bepaalde voor- en nadelen. Voor gebruik in auto’s worden elektromotoren gebruikt waarbij we twee hoofdstromingen onderscheiden, met elk hun specifieke eigenaardigheden: synchroonmotoren en inductiemotoren, ook wel aangeduid als asynchroonmotoren. Het fysieke onderscheid tussen beide varianten zit hem met name in het draaiende deel van de motor: de rotor. De stator (het vaste deel van de motor) is bij synchroon- en inductiemotoren in principe gelijk.

Om beweging te creëren, regelt de elektronica dat in de stator een ronddraaiend magnetisch veld ontstaat. Ook de rotor heeft een magnetisch veld en dat volgt op het veld van de stator, met een draaiende beweging tot gevolg. Bij een synchroonmotor komt het magnetisch veld van de rotor voor rekening van permanente magneten (PSM, Permanently excited Synchronous Machine) of van elektromagneten (EESM, Externaly Excited Synchronous Machine). De magneten in de rotor zullen het draaiende veld van de stator keurig volgen, als het goed is met min of meer hetzelfde toerental: het statorveld en de rotor draaien synchroon. Vandaar de term synchroonmotoren. In de meeste elektrische auto’s met synchroonmotoren zijn de magneten in de rotor permanente magneten. Synchroonmotoren met elektromagneten zijn dun gezaaid, je treft dit type onder andere aan in auto’s als de BMW i5, de Mini Countryman SE of in de Renault Zoe.

ASM: asynchroonmotor

Als er stroom door een geleider loopt, ontstaat er om die geleider heen een magnetisch veld. Dat is wat we bij de statorspoelen van de elektromotor zien. Het omgekeerde geldt ook: wanneer langs een geleider een magnetisch veld beweegt, dan gaat er een stroom door die geleider lopen. Dit noemen we inductie. Van dat laatste principe wordt gebruik gemaakt bij de asynchroonmotor, die daarom ook wel inductiemotor worden genoemd. Bij de inductiemotor zitten er geen magneten in de rotor. Daarvoor in de plaats zitten er gewoon metalen (doorgaans aluminium) staven of strips die aan de uiteinden met elkaar worden verbonden door een kortsluitring. Wanneer de staven of strips van de rotor in een magnetisch veld terecht komen gaat er als gevolg van de inductie een stroom door de strips lopen. Die stroom zorgt op zijn beurt weer voor een eigen magnetisch veld rond de strips. Het magnetisch veld van de strips zal het ronddraaiende magnetisch veld van de stator volgen. Echter, de stroom (en vervolgens dus het magnetisch veld) in zo’n strip ontstaat alleen wanneer het magnetisch veld van de stator beweegt ten opzichte van de strip. Oftewel het magnetisch veld van de stator moet met een hoger toerental ronddraaien dan de rotor, er is spraken van slip: ze draaien dus niet synchroon zoals bij de PSM, maar asynchroon, vandaar dat de inductiemotor ook wel asynchroonmotor genoemd wordt (ASM, Asynchronous Machine).

Het grote (financiële) voordeel van een ASM is dat hij relatief eenvoudig te produceren is en dat er geen dure grondstoffen nodig zijn. Dit in tegenstelling tot de permanente magneten in de rotor van de PSM. Daarvoor zijn namelijk zeldzame aardmetalen zoals neodymium nodig, die vaak afkomstig zijn uit landen waar we niet altijd  afhankelijk van willen zijn. Bovendien is dat ferromagnetisch materiaal een stuk duurder dan normaal ijzer of aluminium en willen die hogere prijzen nog al eens fluctueren (wat niet ideaal is voor een scherpe kostencalculatie). Deze slag is dus voor de ASM. Voor de EESM zijn weliswaar geen permanente magneten nodig, maar met zijn elektromagneten in de rotor heeft die als nadeel dat hij een stuk complexer is te construeren en te produceren, wat de kosten opdrijft. Daarnaast hebben de elektromagneten in de rotor ook een eigen voeding en aansturing nodig, en in de stroomtoevoer ligt bij sleepcontacten slijtage op de loer.

Rendement en afmetingen

Het middels inductie opwekken van een magnetisch veld in de rotor vraagt extra energie waardoor het rendement van een ASM lager is dan van een PSM. Daarnaast is ook de vermogensdichtheid van een ASM lager dan van een PSM, voor vergelijkbare prestaties heb je dus een grotere en zwaardere ASM nodig. Doordat er geen stromen door de rotor van de PSM lopen treedt daar geen warmteverlies op, waardoor de kans op oververhitting makkelijker te beteugelen is en de motor langere tijd onder hoge belasting kan werken. De ASM zet hier tegenover dat er voor kortere tijd met een extra boost gewerkt kan worden.

Er zijn situaties waarin een elektromotor loos meedraait, bijvoorbeeld als je uitrolt voor een stoplicht maar vooral ook wanneer je het met een vierwielaandrijver rustig aan doet en het met één motor af kunt. Bij een PSM heb je bij dat loos meedraaien zogenoemde sleepverliezen: het veld van de permanente magneten in de draaiende rotor zorgen voor weerstand. En dat heb je niet bij de ASM (en ook niet bij de EESM wanneer de stroom uitgeschakeld is), de rotors van de ASM en EESM draaien in dit soort situaties met minimale weerstand. Als er op de motor afgeremd moet worden is de synchroonmotor echter in het voordeel, er hoeft niet via inductie een magnetisch veld gegenereerd te worden.

Bij grotere auto’s spelen gewicht en ruimte een kleinere rol dan bij compacte auto’s en sportievere modellen, waar iedere centimeter of kilo extra er een te veel is. Zodoende zagen we bij de grote Tesla Model S en Model X en ook bij Audi e-tron zowel voor als achter een ASM. Die ASM is weliswaar vrij groot en zwaar, maar wel lekker robuust en vooral vrij goedkoop. Toen Tesla met de compactere Model 3 kwam, kreeg die de iets duurdere PSM. Die is niet alleen kleiner en lichter, maar ook een paar procent zuiniger en dat betekent dat voor een acceptabele actieradius een iets minder grote accu volstaat.

Porsche geeft de Taycan zowel voor als achter een PSM, het gaat bij deze elektrische sportwagen vooral om het lagere gewicht en de hogere prestaties. Hetzelfde geldt voor de aan de Taycan verwante Audi e-tron GT, die heeft voor en achter ook een PSM. Ook bij het gros van de compacte elektrische middenklassers zien we de efficiënte PSM, vooral omdat de beschikbare ruimte beperkt is. De hogere prijs en de afhankelijkheid van grondstoffen uit moeilijke landen worden daarbij op de koop toegenomen (voor zover die auto’s niet uit een moeilijk land komen).

Twee systemen in één auto

De auto’s die binnen de Volkswagen Group gebouwd geworden op basis van de flexibele MEB-architectuur zijn in principe achterwielaandrijvers en hebben onder de vloer van de kofferbak een compacte PSM. Wanneer de vierwielaangedreven versies verschijnen hebben die tussen de voorwielen niet net als achter een PSM maar juist een ASM. Opmerkelijk. Het verhaal hier achter is dat bij auto’s als de Volkswagen ID4 ook als vierwielaandrijver de nadruk op achterwielaandrijving blijft liggen. De voorste motor hoeft niet zoveel te presteren als de achterste. Daardoor volstaat de weliswaar iets grotere maar vooral goedkopere ASM. Daarbij komt ook nog dat meestentijds de achterste motor het werk in zijn eentje aan kan, en de voorste motor dus veel loos meedraait. Dan is een ASM efficiënter.

Kort na de MEB-auto’s van Volkswagen kwam Mercedes-Benz met de EQA en die is afgeleid van een voorwielaangedreven auto met verbrandingsmotor (de Mercedes GLA) met de motor voorin. Waar Volkswagen voor zijn 2WD-versies voor een PSM kiest, zit onder de motorkap van de EQA een ASM. Ruimte speelt bij de EQA een minder grote rol, in het geval van de GLA huist er onder de motorkap een verbrandingsmotor met versnellingsbak, dus voor een ASM is plek zat. Om van de EQA een 4WD te maken voegt Mercedes achterin een PSM toe en dan loopt het verhaal over de aandrijfstrategie parallel aan dat van de 4x4 MEB-auto’s.

De grote elektrische Mercedessen zoals de EQE en de EQS hebben altijd een PSM, zowel de achterwielaandrijvers als de vierwielaandrijvers. Om het sleepverlies van de voorste PSM de kop in te drukken introduceert Mercedes bij de EQS SUV een koppeling die opent wanneer er alleen op de achtermotor gereden wordt. Zodoende staat de PSM stil als de achterste motor het alleen af kan.

Porsche en Audi ontwikkelden samen PPE

Porsche en Audi hebben samen het PPE ontwikkeld, een schaalbaar platform voor elektrische premium auto’s. De eerste Porsche op dat PPE is de nieuwe Macan, die elektro-SUV is altijd vierwielaangedreven en daartoe voorzien van twee PSM’s, om dezelfde reden als de Taycan: relatief licht en vooral lekker krachtig. We hebben zowel bij Audi als bij Porsche gevraagd hoe zij tegen zo’n tijdelijke ontkoppeling van de voorste motor aankijken zoals Mercedes dat doet. Porsche en Audi willen niet aan zo’n koppeling, omdat het toch altijd tijd kost (al is het maar een fractie van een seconde) om de koppeling te sluiten. Bij auto’s die op het scherp van de snede moeten kunnen acteren wil je dat niet hebben; ook de voorste motor moet direct bij de les zijn, alles voor de optimale balans in de auto. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat de kaarten bij Audi iets anders liggen dan bij Porsche. Bij Audi’s eerste PPE-auto, de Q6 e-tron, zal de basisversie een achterwielaandrijver zijn met PSM (er is dus helemaal geen voorste motor die losgekoppeld hoeft te worden). En de simpelste Q6 met vierwielaandrijver krijgt voor een ASM, dus daar speelt het sleepverlies geen rol. Alleen bij de potentere SQ6’en vind je voor én achter een PSM. Onder de streep blijkt er dus niet één ideale EV-aandrijfconfiguratie te bestaan, maar bepaalt een mix van factoren welke elektromotor(en) er gebruikt worden. Maar welke motor er ook gebruikt wordt, als automobilist kun je altijd bij dezelfde lader terecht.