Gerald Schut
Door de onvermijdelijke uitfasering van de verbrandingsmotor zijn alle ogen in de industrie gericht op de elektromotor. Gelukkig wordt die steeds beter, onder meer door het standaardontwerp ervan volledig om te draaien.
Batterijen worden steeds beter en goedkoper. Zo verwacht DNV-GL dat 1 kWh opslag in 2020 met € 160 nog slechts 10 % kost van wat je er in 2008 voor neertelde. Gelukkig worden niet alleen batterijen steeds beter, maar ook elektrische motoren. Dat is niet alleen van groot belang omdat naar schatting van de International Energy Agency elektromotoren nu al 40 % van de wereldwijde stroomproductie voor hun rekening nemen; het is van nog groter belang omdat de elektromotor op grote schaal de verbrandingsmotor zal moeten gaan vervangen om aan de klimaatdoelstellingen van Parijs te voldoen. Daardoor zal het wereldwijde stroomverbruik volgens prognoses vervijfvoudigen in de komende decennia.
Elektromotoren zijn nu al overal om ons heen verwerkt in apparaten met draaiende elementen, van computers tot koelkasten, van wasmachines tot cv-pompen. Zelfs in een reguliere benzineauto zitten vijftien kleine elektromotoren verstopt voor zaken als voorruitenwissers, spiegels, raampjes en cd-speler.
Moderne elektromotoren zijn (voor hetzelfde vermogen) vijf keer zo klein als elektromotoren van een eeuw geleden. Inmiddels halen elektromotoren een rendement van 97 à 98 %, terwijl zelfs de beste verbrandingsmotor blijft steken op 45 %. Het hoge rendement van de elektromotor is onder meer te danken aan een copernicaanse omkering van het ontwerp van de motoren.
Iedere elektromotor bestaat uit twee magnetische onderdelen: een draaiende rotor (of anker) en een vaste stator. De universele uitdaging in elektromotoren ligt in de vraag hoe je erin slaagt om de polariteit van een van de twee magneten voortdurend te laten wisselen. Gangbare elektrische borstelmotoren bestaan uit een permanente cilindrische magneet (de stator) waarin een elektromagneet (de rotor) ronddraait. De elektromagneet bestaat uit koperen spoelen rondom een metalen kern die zodra er stroom doorheen loopt een magnetisch veld creëren. De elektromagneet draait tot het magnetisch veld van de rotor dezelfde kant op wijst als dat van de stator. Door op dat moment de stroomrichting om te keren draait de rotor door, enzovoort. In een borstelmotor op gelijkstroom wordt de stroomrichting gedraaid in de commutator op de rotor. De stroomvoorziening van de rotor gaat via – veelvuldig vervloekte – koolborstels. Het grafiet van de koolborstels is zachter dan de rotor, zodat de rotor niet slijt en de weerstand van de koolborstel neemt bij een toenemende temperatuur af in plaats van toe, waardoor de verliezen relatief beperkt blijven.
In moderne elektrische motoren is het ontwerp precies omgekeerd: de permanente magneet draait rond aan de binnenkant, omhuld door een elektromagneet. De voordelen van een borstelloze constructie zijn legio. Zo kan er veel meer kracht worden ontwikkeld doordat de windingen dikker kunnen zijn: hun ruimte is niet beperkt doordat ze aan de buitenant zitten. Borstelloze motoren hebben een hoger rendement, doordat ze minder wrijving hebben door het ontbreken van de koolborstels. Ze zijn vrijwel slijtvrij en vereisen nagenoeg geen onderhoud. Ze maken minder lawaai en geven geen stof.
Lees verder onder de foto
Automerk Tesla staat synoniem voor elektromotoren (Copyright: Tesla)
In borstelloze motoren wordt de stroomwisseling aangestuurd door elektronica in plaats van borstels met commutatoren. Een groot voordeel daarvan is dat die aansturing veel slimmer kan zijn, waardoor het vermogen kan worden afgestemd op het vereiste toerental.
‘Je ziet dat het onderzoek naar betere ontwerpen van de motor zich verplaatst van de onderdelen van de motor naar de elektronica, die de motor aanstuurt’, vertelt prof. Maarten Steinbuch (TU/e) telefonisch vanuit zijn Tesla op weg naar Frankrijk. De drijvende kracht hierachter is het feit dat elektronica en software steeds goedkoper en geavanceerder worden. De toepassing van zeldzame materialen met een sterker magnetisme als dysposium en neodymium in de rotor maakt de borstelloze motor bovendien krachtiger, dan wel compacter.
De rotatie in een motor laat zich weergeven als een sinusvormige grafiek. ‘Om een perfecte sinus te maken moet je de elektronica lerend laten regelen. Dat kan met een optische encoder’, vertelt Steinbuch. Dat is preciezer dan het aansturen van de elektronica met een gangbare Hall-sensor, die steeds als de magneet voorbijkomt een pulsje afgeeft. Die meet maar op enkele plaatsen en is dus minder nauwkeurig.
Steinbuch noemt het snelgroeiende Eindhovense bedrijf Prodrive als voorbeeld van een onderneming die zijn geld verdient met vernieuwingen op het gebied van elektromotoren en vermogenselektronica. Het aantal werknemers gaat inmiddels richting de duizend.
Borstelmotoren komen tegenwoordig nog als universele motoren voor in stofzuigers, goedkope wasmachines en boormachines met een stroomkabel. Borstelloze accuboormachines zijn nog 30 % duurder dan reguliere accuboormachines. Dat zal veranderen. Het is een kwestie van tijd voor de hele wereld borstelloos is.
Tesla is bij zijn laatste model overgestapt van de ene borstelloze motor op een andere. De eerste modellen van Tesla gebruikten nog een inductiemotor op wisselstroom (in 1888 uitgevonden door Nikola Tesla). Hierbij bestaat de rotor uit lagen metaal zonder magneet. Bij de introductie van zijn Model 3 is Tesla overgestapt op een borstelloze motor met permanente magneten, die gebruikmaakt van een ander aspect van magnetisme: weerstand. In deze motor volgt het elektromagnetisch veld in de stator de minste weerstand door een metalen rotor. Door de stroom steeds te wisselen draait de rotor. Tesla zou uit kostenoverwegingen voor dit model gekozen hebben.
