Als u geïnteresseerd bent in een diepe duik in de technologie van verbrandingsmotoren, moet u bereid zijn om met veel verschillende concepten te worden gebombardeerd. Motoren met natuurlijke aanzuiging, turbomotoren, directe injectie, indirecte injectie of zowel directe als indirecte injectie! Benzine, diesel, CNG, LPG, Atkinson-cyclus, Miller-cyclus, Budack-cyclus, Diesel- en Otto-cyclus (zie Mazda Skyactiv-X-motor), turbo met vaste geometrie, turbo met variabele geometrie, twin-scroll turbo, variabele nokkenastiming... de lijst gaat maar door.
De vraag die bijna automatisch opkomt is: waarom hebben we zoveel ontwerpen en concepten voor verbrandingsmotoren? Het antwoord is simpel: omdat geen van hen goed genoeg is vanuit het oogpunt van efficiëntie. In de zoektocht naar het verbeteren van de efficiëntie zijn door ingenieurs in de autogeschiedenis veel ontwerpen geïntroduceerd. Is deze verscheidenheid aan ontwerpen ook relevant voor de elektromotoren? Hoeveel soorten motoren kennen we in de e-mobiliteit? Het antwoord is slechts 3 belangrijke. Laten we kennis met hen maken.
Asynchrone inductiemotor - Korte geschiedenisles
De asynchrone inductiemotor is niets nieuws. Het is uitgevonden door twee onafhankelijke onderzoekers: de enige echte Nikola Tesla en Galileo Ferraris. Hoewel de Italiaanse uitvinder deze motor blijkbaar in 1885 voor het eerst ontwikkelde, was Nikola Tesla de eerste die het patent in 1888 indiende.
De uitvinding van de inductiemotor is zonder twijfel een van de grootste successen in het benutten van elektriciteit om ons leven van energie te voorzien. De adoptie van dit motortype is tegenwoordig zo wijdverbreid dat het heel moeilijk is om je het dagelijks leven zonder voor te stellen. Veel elektrische apparaten maken gebruik van deze motoren en de overgrote meerderheid van de industriële motoren is van het asynchrone inductietype.
Hoe werkt een asynchrone inductiemotor?
Alle elektromotoren bestaan uit twee hoofdonderdelen. Een statisch deel wordt een stator genoemd en een roterend deel wordt de rotor genoemd. Laten we beginnen met de stator - meestal een stalen cilinder met sleuven en koperen spoelen die met een specifieke geometrie zijn geweven. Deze spoelen worden gevoed met 3 fase wisselstroom die in de vermogenselektronica is omgezet van gelijkstroom (geleverd door de accu). Deze stroom creëert een roterend magnetisch veld in de stator en de snelheid van dat roterende magnetische veld wordt synchrone snelheid genoemd.
In wezen werkt dit type motor als volgt: er wordt wisselspanning op de koperen spoelen (of wikkelingen) gezet en als gevolg daarvan krijgen we een roterend magnetisch veld, dat veld induceert spanning in de rotor, waardoor er stroom gaat vloeien. Die stroomstroom produceert zijn eigen roterende magnetische veld in de rotor, dat achterblijft bij het magnetische veld van de stator. De kracht tussen de twee magnetische velden die uiteindelijk de rotor in beweging brengen, wordt de Lorentzkracht genoemd. De beweging van de rotor wordt vervolgens via de juiste reductie overgebracht op de wielen van de auto.
Deze motor wordt asynchroon genoemd omdat het roterende magnetische veld van de rotor en de stator niet gesynchroniseerd zijn. Het inductiegedeelte is afkomstig van het roterende magnetische veld, de spanning en de stroom die door de stator worden geïnduceerd. Als we het gaspedaal intrappen, blijft het magnetische veld van de rotor iets achter bij dat van de stator. Als we afremmen en de motor werkt als generator (regeneratief remmen), dan ligt het roterende magnetische veld van de rotor voor op de stator. Dit verschil in de roterende magnetische velden wordt “slip” genoemd en bedraagt doorgaans maximaal 5%, afhankelijk van het motorontwerp.
Het typische rendement van een driefasige asynchrone inductiemotor die in de auto-industrie wordt gebruikt, bedraagt ongeveer 90%. Vanwege zijn robuustheid, eenvoud, lange levensduur en het feit dat er geen exotische materialen nodig zijn, wordt deze motor vrijwel uitsluitend in industriële processen gebruikt. Bovendien maken de goede overbelastingseigenschappen hem tot een perfecte on-demand motor en daarom wordt hij vaak gebruikt als voormotor in elektrische auto’s met vierwielaandrijving.
Enkele van de auto's die de asynchrone inductiemotoren gebruiken zijn: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, XandYon-voorassen en VW Group MEB-auto's gebruiken ze ook op de voorassen.
Synchrone permanente magneetmotor
Het fundamentele verschil tussen asynchrone inductiemotoren en synchrone permanentmagneetmotoren is de manier waarop de roterende magnetische velden in de rotor en de stator worden geproduceerd en op elkaar inwerken. Bij synchrone permanentmagneetmotoren is er een eigen roterend magnetisch veld, gecreëerd door permanente magneten (vandaar de naam van de motor) in de rotor. De roterende magnetische velden van de rotor en stator bij deze motoren zijn vergrendeld en er is geen sprake van slip.
De permanente magneten in de rotor zijn een van de belangrijkste elementen die de vermogensdichtheid verhogen en de efficiëntie van de motor verbeteren. De verhoogde vermogensdichtheid betekent een hoog vermogen bij een laag volume. Daarom worden permanentmagneetmotoren uitsluitend in PHEV's gebruikt. De elektromotor is bij deze voertuigen in de versnellingsbak ondergebracht en er zijn beperkte ruimte.
Permanente magneten zijn gemaakt van zeldzame aardmetalen, waarvan China de meerderheid controleert. Er zijn vragen over de ethische aspecten van het mijnbouwproces en om die reden proberen veel fabrikanten het gebruik van deze materialen in hun motoren te verminderen. Niettemin is de synchrone permanentmagneetmotor de koning van de efficiëntie: hij kan oplopen tot 94-95% en als er maar één motor in de auto zit, dan is dit het type motor dat wordt gebruikt.
Permanente magneetmotoren worden gebruikt in Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X en Y op de achterassen. MEB-auto's van de VW Group gebruiken ze ook op de achterassen, Jaguar i-pace, Audi e-tron GT en Porsche Tay kunnen er maar een paar noemen.
Synchrone motor die elektrisch wordt bekrachtigd
Synchrone motoren met permanente magneten leveren het hoogste rendement, maar hun afhankelijkheid van zeldzame aardmetalen geeft aanleiding tot bezorgdheid. Om dit aan te pakken hebben fabrikanten als BMW, RenaultGroupe en Smart zich tot een hybride motorarchitectuur gewend: synchrone motoren die niet afhankelijk zijn van zeldzame aardmagneten.
Hoe werken deze machines? In plaats van permanente magneten in de rotor te gebruiken om flux te genereren, maken ze gebruik van borstels en sleepringen. Volgens BMW levert dit type motor een rendement op van wel 93%, wat zeer dicht in de buurt ligt van het rendement van permanentmagneetmotoren. Hoewel het concept veelbelovend lijkt, betekent de toevoeging van borstels dat ze uiteindelijk vervangen moeten worden. Hopelijk zullen de fabrikanten die dit motortype ontwikkelen borstels selecteren met een voldoende lange levensduur.
Dit motorontwerp wordt toegepast in de BMW iX3, iX en i4; de Renault MeganeE-TECH; en de Slimme EQ.
