Zo werken elektromotoren in auto's

Wat was het leven overzichtelijk in het tijdperk van de goede oude verbrandingsmotor. Maak bij zo’n auto de motorkap open, verwijder de motorafdekking en na twee, drie keer kijken weet je wat voor vlees je in de kuip hebt. Dat zou er als volgt uit kunnen zien: zes cilinders in V-configuratie, aangevuld met twee turbo’s. De kabels van het ontstekingssysteem en de bougies maken duidelijk dat je niet met een dieselmotor te maken hebt, maar met een benzinemotor.

Bij een auto met een elektromotor is het echter een stuk lastiger om te achterhalen wat voor motor het nu precies is. Die motor is soms voorin geplaatst, soms achterin, en bij diverse auto’s vind je zowel voorin als achterin een elektromotor. En eventueel zelfs drie motoren. Lekker complex! Daar komt nog eens bij dat de motoren vaak op de achtergrond hun werk doen. Als er geen problemen optreden, krijg je zo’n motor nooit te zien. En áls je hem al met eigen ogen kunt bekijken, kun je aan de buitenzijde praktisch niet zien met wat voor een elektromotor je nu exact van doen hebt.

Verhoudingsgewijs licht

Om eens nader op de materie in te gaan, kregen we van Audi, Porsche en Toyota de beschikking over uitgebouwde elektromotoren en opengewerkte exemplaren van de E-tron S, de Taycan Turbo en de Prius, zodat we de techniek eens onder de loep kunnen nemen. In welke opzichten de motoren van elkaar verschillen, leggen we later in dit artikel uit, maar we nemen eerst de tijd om de kleine krachtbronnen te bewonderen. Het is echt fascinerende techniek. Kijk maar eens naar onze collega Moritz op de foto, die lachend een elektromotor optilt. Hij heeft hier de voorste elektromotor van een Taycan Turbo S in zijn handen, die in zijn eentje al goed is voor een koppel van 440 newtonmeter. Omdat Moritz een sterke kerel is, weet hij ook de bijna 60 kilo wegende elektromotor die normaliter op de achteras van een Taycan is te vinden, van de grond te krijgen. Als dat een viercilinder-boxermotor uit een Porsche 718 Cayman was geweest, was het hem absoluut nooit gelukt. Dat is één van de voordelen van de elektromotoren: ze zijn verhoudingsgewijs
licht en hebben een hoge vermogensdichtheid. Als de energiedichtheid van de accu’s niet zo magertjes zou zijn, zouden elektroauto’s vederlichte auto’s zijn, maar dat is een ander onderwerp.

Het principe van elektromotoren dat al sinds het prille begin wordt toegepast, zal de meeste mensen wel bekend zijn. Nu is het tijd om dieper in de materie te duiken. Er worden bij elektroauto’s hoofdzakelijk twee motortypes toegepast. Ten eerste de zogenaamde asynchrone motor (ASM), ten tweede de synchrone elektromotor met permanente magneet (PSM). Het eerste motortype is bijzonder robuust, goedkoop te produceren en zodoende met voorsprong het meest toegepaste motortype in elektroauto’s.

Iets langzamer

De rotor van de asynchone motor draait niet tegelijkertijd, maar iets langzamer dan het elektrische draaiveld in de stator, met andere woorden asynchroon. Daarvoor moet de rotor door stroom worden gemagnetiseerd, zodat de stator hem kan ‘afstoten’ en tot rotatie kan brengen. Dit werkingsprincipe is net wat minder efficiënt dan dat van de synchrone motor met permanente magneet. De rotor van dat motortype is gemaakt van hoogwaardige magneten, die bij wijze van spreken van huis uit magnetisch zijn en zodoende geen extra stroom nodig hebben. Er is sprake van permanente opwekking. Om dat te bewerkstelligen, draait de rotor synchroon aan het draaiveld in de stator, vandaar de benaming synchrone motor.

Wat zijn nu echter de voor- en de nadelen van de beide systemen? Die vraag leggen we voor aan expert Christian Frahm van het Duitse bedrijf Moteg, dat elektromotoren ontwikkelt en bouwt. Met betrekking tot de efficiency en de vermogensdichtheid gaat de synchrone motor met permanente magneet volgens Frahm onbetwist aan de leiding. Zo wordt er geen energie verspild aan de rotor. En omdat de rotor ook als hij is ingeschakeld niet onder stroom staat, wordt er minder warmte opgewekt. En dat leidt dan weer tot een hoger vermogen, want hoe lager de temperatuur is waarbij het proces plaatsvindt, des te beter verloopt de stroomdoorvoer in de koperen spoelen die verantwoordelijk zijn voor de totstandkoming van het elektrische draaiveld. Er zijn echter ook een paar nadelen te noemen met betrekking tot dit motortype. Zo worden in de permanente magneet van de rotor zeldzame grondstoffen gebruikt. Die zijn niet alleen duur, maar het delven ervan is ook niet geheel zonder problemen. Bovendien veroorzaken deze zeldzame grondstoffen afhankelijkheid van andere landen, met name van China. En omdat het magnetische veld in de rotor niet kan worden uitgeschakeld, zijn dure systemen nodig voor het samenvoegen van de rotor en de stator bij het in elkaar zetten van de motoren. Bij Porsches sportwagen Taycan, waarbij het aankomt op een hoge en langdurige vermogensafgifte in combinatie met een zo laag mogelijk gewicht, is de synchrone motor met permanente magneet een absolute must. Audi maakt daarentegen bij zijn SUV E-tron gebruik van asynchrone motoren. De achterasmodule van de E-tron S is voorzien van maar liefst twee van dit soort motoren. De aandrijving met twee elektromotoren in combinatie met een complexe waterkoeling van de rotors levert in zijn totaliteit een vermogen van bijna 400 pk op. Even ter vergelijking: dat is dus hetzelfde vermogen dat geleverd wordt door de duidelijk compactere synchrone motor met permanente magneet die in de basisuitvoering van de Taycan ligt. En de Porsche-krachtbron is daarbij het Audi-duo ook nog eens de baas als het gaat om het
recuperatievermogen.

Groter is beter

Als we het compacte formaat in ogenschouw nemen, zijn ook de vermogenscijfers van de elektromotoren die dienstdoen in de full-hybrid Toyota Prius zeker niet verkeerd. Ook in deze auto worden motoren van het PSM-type gemonteerd, oftewel de synchrone elektromotor met permanente magneet. Ook het grootste exemplaar van de twee motoren die in de Japanner worden gemonteerd, past nog in je hand, niet gek voor een motor met een vermogen van maximaal 72 pk en een koppel van 163 Nm.

In één opzicht lijken de elektromotoren, van welk type dan ook, overigens wel op de traditionele verbrandingsmotoren: grotere motoren leveren een hoger koppel. Het oude credo there’s no substitute for cubic inches is inmiddels achterhaald, maar het formaat doet er nog wel degelijk toe. Sommige dingen veranderen nooit.