Elektromotoren en elektrische aandrijfeenheden

De tractiemotor van een elektrische auto maakt deel uit van een nauw geïntegreerd systeem waarin de accu, omvormer, motor, het koelcircuit, de reductietandwielen, het differentieel, de banden en de regelsoftware samen bepalen hoe efficiënt elektrische energie in beweging wordt omgezet.

Dit overzichtsartikel maakt onderscheid tussen drie vragen die vaak door elkaar worden gehaald: hoe verschillende motorfamilies koppel opwekken, hoe een aandrijfeenheid is gebouwd en geregeld en hoe het complete voertuig deze hardware gebruikt en meet.

De energieroute van accu naar weg

De hoogspanningsaccu levert gelijkstroom. Een tractie-Traction inverters schakelt deze DC om in geregelde meerfasestroom — normaal driefasige AC — waarvan de amplitude, frequentie en fase het koppel en toerental van de motor bepalen. De Motor control and efficiency maps vertaalt de wens van de bestuurder en de voertuiglimieten naar de stroomcommando’s die de omvormer volgt.

In de motor wekt de stroom in de stilstaande wikkelingen een roterend magnetisch veld op. De rotor volgt dit veld of werkt ermee samen en laat de uitgaande as draaien. De keuzes voor stator, rotor, wikkelingen, laminaties, isolatie, luchtspleet, lagers en fabricagetoleranties worden behandeld in EV motor construction and windings.

Een vaste reductie zet motortoerental normaal om in koppel aan de wielen. Het differentieel zorgt ervoor dat de aangedreven wielen in een bocht met verschillende snelheden kunnen draaien. In een moderne Integrated electric drive units kunnen motor, omvormer, reductietandwielen, differentieel, smering en koelkanalen één compacte behuizing delen.

Hoe een AC-tractiemotor koppel opwekt

De meeste tractiemotoren voor elektrische auto’s hebben twee belangrijke elektromagnetische delen: een stilstaande stator en een rotor die aan de andere kant van een smalle luchtspleet draait. De drie statorfasen worden na elkaar bekrachtigd en vormen zo een magnetisch veld dat rondom de luchtspleet roteert.

De motorfamilie wordt vooral bepaald door de manier waarop de rotor zijn magnetische veld krijgt en hoe dat veld beweegt ten opzichte van het statorveld:

Een permanentmagneet-synchroonmotor heeft magneten in of op de rotor.
Een elektrisch bekrachtigde synchroonmotor wekt het rotorveld op met een gelijkstroomgevoede wikkeling.
Een inductiemotor induceert stroom in een geleidende rotorkooi; voor het opwekken van koppel moet de rotor met een andere snelheid draaien dan het statorveld.
Een reluctantiemotor wekt koppel op doordat zijn rotor in bepaalde richtingen gemakkelijker te magnetiseren is dan in andere.

‘Synchroon’ beschrijft de snelheid van de rotor ten opzichte van het roterende statorveld. Het betekent niet dat rotor en stator mechanisch met elkaar verbonden zijn. Lagers dragen de rotor, terwijl de luchtspleet de elektromagnetische delen fysiek gescheiden houdt.

Koppel, toerental en vermogen

Koppel is de draaiende kracht op de as. Vermogen is de snelheid waarmee de motor arbeid verricht:

vermogen = koppel × rotatiesnelheid

Deze relatie verklaart de kenmerkende koppelkromme van een elektrische auto. Vanuit stilstand tot het basistoerental van de motor kan de omvormer doorgaans voldoende stroom leveren voor een breed gebied met constant koppel. Boven het basistoerental worden spanning en tegen-elektromotorische kracht de belangrijkste beperkingen. De regeling verzwakt het effectieve magnetische veld zodat de motor sneller kan draaien, terwijl het beschikbare koppel afneemt. Het vermogen kan in een deel van dit hogere toerentalgebied ongeveer constant blijven.

De exacte kromme wordt begrensd door het accuvermogen, de spanning en stroom van de omvormer, de motortemperatuur, het rotortoerental en mechanische limieten. Een opgegeven piekvermogen is mogelijk slechts enkele seconden beschikbaar. Continuvermogen is het vermogen dat de complete aandrijfeenheid onder vastgelegde koel- en omgevingsomstandigheden kan volhouden. EV motor testing and ratings legt uit waarom de meetgrens en testduur bij een vermogenswaarde moeten worden vermeld.

Bij regeneratief remmen werkt dezelfde machine als generator. Het wielkoppel drijft de rotor aan, de omvormer regelt de generatorstroom en elektrische energie stroomt terug naar de accu wanneer de accutemperatuur, laadtoestand, grip en systeemlimieten dat toelaten.

De belangrijkste motorfamilies in elektrische auto’s

Permanent-magnet synchronous motors zijn gebruikelijk omdat ze een hoge vermogensdichtheid kunnen combineren met een hoog rendement in een bruikbaar deel van de bedrijfskaart. Ontwerpen met inwendige magneten kunnen zowel permanentmagneetkoppel als reluctantiekoppel produceren. Hun vaste rotorflux brengt ook ontwerpuitdagingen met zich mee voor veldverzwakking, spanning bij storingen, materiaalvoorziening en thermisch beheer.

Induction (asynchronous) motors hebben geen rotormagneten of elektrische contacten. Hun rotorveld bestaat alleen wanneer de statorbekrachtiging stroom in de kooi induceert. Ze zijn mechanisch robuust en kunnen onbekrachtigd een lage elektromagnetische weerstand hebben, waardoor ze zowel als primaire tractiemotor als motor op een secundaire as bruikbaar zijn. De rotorstroom voegt echter warmte en verliezen toe.

Electrically excited synchronous motors vervangen permanente magneten door een regelbare elektromagneet in de rotor. Door de veldstroom te verhogen of te verlagen krijgen ingenieurs een extra regelvariabele, onder meer voor efficiënte veldverzwakking bij hoge snelheid. Daar staan een bekrachtigingssysteem, koperverliezen in de rotor en — bij gebruik van borstels en sleepringen — extra mechanische en duurzaamheidseisen tegenover.

Reluctance motors omvatten magneetvrije synchroonreluctantie- en geschakelde reluctantiemachines en door permanente magneten ondersteunde ontwerpen. Ze benutten richtingsafhankelijke verschillen in de magnetische reluctantie van de rotor. Eenvoudige magneetvrije rotoren zijn mogelijk, maar koppeldichtheid, eisen aan de omvormer, koppelrimpel, akoestiek en regeling moeten voor het complete systeem worden beoordeeld.

Axial-flux permanent-magnet motors beschrijven een andere magnetische geometrie, niet een afzonderlijke bron van rotorbekrachtiging. De meeste axiale-fluxmotoren voor auto’s zijn permanentmagneet-synchroonmachines waarvan de hoofdflux de luchtspleet parallel aan de as kruist. Hun grote actieve straal en korte axiale bouwlengte kunnen een hoge koppeldichtheid opleveren, maar koeling, beheersing van de luchtspleet, axiale krachten en massaproductie zijn veeleisend.

Waarom geen enkel motortype zonder meer het beste is

Een motor heeft niet één rendementswaarde. Hij heeft een rendementskaart over toerental en koppel, en een voertuig bezoekt verschillende delen van die kaart tijdens stadsverkeer, snelwegritten, klimmen, trekken en hard accelereren. De omvormer en tandwielkast hebben hun eigen kaarten, zodat ingenieurs de complete aandrijfeenheid optimaliseren voor de beoogde gebruikscyclus.

Ook de belangrijkste verliezen veranderen met het werkpunt:

de weerstand van de wikkelingen veroorzaakt koperverliezen die sterk toenemen met de stroom;
veranderende magnetische velden veroorzaken hysterese- en wervelstroomverliezen in elektrisch staal en andere geleidende delen;
inductierotoren en elektrisch bekrachtigde rotoren voegen koperverliezen in de rotor toe;
de omvormer heeft geleidings- en schakelverliezen;
lagers, afdichtingen, tandwielen, oliepompen en het rondwoelen van olie veroorzaken mechanische verliezen.

Bij de motorkeuze worden daarom het rendement in het bruikbare kaartgebied, de vermogens- en koppeldichtheid, materiaalkosten en -voorziening, het vermogen van de omvormer, de koelbehoefte, het maximale toerental, de akoestiek, regelbaarheid, productieopbrengst, duurzaamheid en onderhoudbaarheid tegen elkaar afgewogen. Een motor die op zijn beste punt iets minder efficiënt is, kan een efficiënter voertuig opleveren als zijn bruikbare gebied met hoog rendement beter aansluit bij de rijbelasting van het voertuig.

Eén motor of meerdere

Eén motor kan via een differentieel de voor- of achteras aandrijven. Twee motoren leveren normaal onafhankelijk geregeld koppel aan voor- en achteras en maken vierwielaandrijving zonder mechanische aandrijfas mogelijk. Fabrikanten kunnen op beide assen hetzelfde motortype gebruiken of typen combineren om verschillende rendements- en vrijloopeigenschappen te benutten.

Systemen met drie motoren plaatsen doorgaans één motor op de ene as en twee onafhankelijk geregelde motoren op de andere. Systemen met vier motoren kunnen één motor per wiel gebruiken of twee motoren per as die via afzonderlijke tandwielpaden zijn verbonden. Onafhankelijke motoren scheppen de hardwaremogelijkheid voor snelle koppelvectoring, maar de werkelijke capaciteit hangt af van sensoren, omvormercapaciteit, bandengrip, thermische grenzen, overbrenging en regelsoftware.

Extra motoren leveren geen kosteloze prestaties. Ze voegen massa, kosten, koelbelasting, omvormers, kabels, lagers en parasitaire verliezen toe. Ontkoppelingen en onbekrachtigde inductiemotoren kunnen het verbruiksnadeel van een secundaire as tijdens constante snelheid verkleinen. Multi-motor EV architectures behandelt architecturen met één, twee, drie en vier motoren in detail.

Specificaties van elektromotoren lezen

Bruikbare motorgegevens moeten meer beantwoorden dan ‘hoeveel kilowatt?’. Controleer of een waarde piek- of continuvermogen betreft, of deze geldt voor één motor, één as of het complete voertuig en of het vermelde koppel aan de motoras of na de reductie aan de wielen is gemeten.

De meest informatieve technische gegevens omvatten:

motortopologie en locatie;
piek- en continuvermogen onder de vermelde omstandigheden;
piekkoppel en maximaal motortoerental;
DC-busspanning, omvormerstroom en type halfgeleider;
overbrengingsverhouding en rendement van de aandrijflijn;
rendementskaarten van motor en omvormer bij aandrijven en regenereren;
koelmethode en thermische grenzen;
of secundaire motoren spanningsloos of ontkoppeld kunnen worden;
de meetgrens, temperaturen en testprocedure.

Deze gegevens verklaren waarom twee voertuigen met een vergelijkbaar piekvermogen kunnen verschillen in snelwegverbruik, herhaald accelereren, trekprestaties, geluid en langdurige prestaties bij hoge snelheid.

Lees de serie in deze volgorde

Begin met de motorfamilies:

Volg daarna de keten van hardware en energieregeling:

Sluit af met voertuigarchitectuur en technische onderbouwing:

De navigatietabbladen gebruiken dezelfde volgorde.