Permanentmagneetmotor: de elektromotor met ingebouwde magneten
Een permanentmagneetmotor is een elektromotor waarbij het draaiende deel — de rotor — is uitgerust met vaste magneten in plaats van elektromagneten of kortgesloten geleiders. Die magneten houden hun magnetisch veld vast zonder dat daar stroom voor nodig is, net zoals een koelkastmagneet altijd blijft trekken. Rond de rotor draait een stator met spoelen die, aangestuurd door wisselstroom, een draaiend magnetisch veld opwekken. De vaste magneten "volgen" dat draaiende veld en zo ontstaat beweging.
Het verschil met een gewone elektromotor is vergelijkbaar met het verschil tussen een fietser die zelf blijft trappen (een inductiemotor, die voortdurend stroom nodig heeft om zijn eigen magnetisme op te wekken) en een fietser die al een duw krijgt van een sterke wind in de rug (de permanente magneet, die zijn veld gratis meebrengt). Daardoor kan een permanentmagneetmotor met minder energieverlies en vaak compacter hetzelfde vermogen leveren. Dit type motor zit inmiddels in miljoenen elektrische auto's, windturbines en industriële machines.
Wat is het precies?
In een klassieke wisselstroommotor (een inductiemotor) wordt het magnetisch veld in de rotor opgewekt doordat de draaiende stroom van de stator een elektrische stroom induceert in geleiders in de rotor — vergelijkbaar met hoe een dynamo werkt, maar dan omgekeerd. Dat kost energie en levert warmteverlies op.
Bij een permanentmagneetmotor, voluit vaak een permanentmagneet-synchroonmotor (PMSM) genoemd, zitten er sterke magneten direct in of op de rotor. Meestal zijn dit magneten van neodymium-ijzer-boor (NdFeB), een legering die per gewicht het sterkste magnetische veld van alle gangbare materialen levert. Omdat de rotor zelf al magnetisch is, hoeft er geen stroom naartoe te lopen om een veld op te wekken. De rotor "synchroniseert" precies met het draaiende veld van de stator, vandaar de term synchroonmotor.
Een variant die vaak in elektrisch gereedschap en drones zit, is de borstelloze gelijkstroommotor (BLDC), die volgens hetzelfde principe werkt maar met een iets andere aansturing. In beide gevallen regelt elektronica (een omvormer) de stroom naar de spoelen zorgvuldig, zodat het draaiveld precies op het juiste moment en met de juiste sterkte wordt opgewekt. Zonder deze elektronica draait de motor niet — in tegenstelling tot wat soms wordt gesuggereerd, wekt de motor zelf geen energie op; hij zet toegevoerde elektrische energie om in beweging, niet meer en niet minder.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is hoger rendement: minder energie verloren als warmte, meer energie omgezet in nuttige beweging. Bij elektrische auto's en windturbines scheelt dat merkbaar in actieradius en opbrengst. Een tweede doel is compactheid: omdat er geen stroom nodig is om de rotor te magnetiseren, kan een permanentmagneetmotor voor hetzelfde vermogen kleiner en lichter zijn dan een inductiemotor. Dat is belangrijk in auto's, waar elke kilo en elke centimeter telt.
Een derde doel is het vereenvoudigen van aandrijfsystemen. In windturbines maakt een sterke permanentmagneetgenerator het bijvoorbeeld mogelijk om de tandwielkast weg te laten ("direct drive"), een onderdeel dat traditioneel gevoelig is voor slijtage en onderhoud. Minder bewegende, slijtende onderdelen betekent minder onderhoud en een langere levensduur, vooral relevant bij moeilijk bereikbare offshore windturbines.
Tegelijk is er een minder gunstige kant: de sterkste magneten vereisen zogeheten zeldzame aardmetalen, met name neodymium en soms dysprosium. Een deel van het onderzoeksveld richt zich daarom niet op nóg sterkere magneten, maar juist op het verminderen van de afhankelijkheid van deze grondstoffen.
Voorbeelden uit de praktijk
De Toyota Prius gebruikt al sinds de jaren negentig een permanentmagneetmotor (een zogeheten interior permanent magnet-motor) in zijn hybride aandrijflijn, en dat ontwerp is model geworden voor veel andere hybrides.
Tesla gebruikte in zijn vroege Model S en Model X inductiemotoren, maar stapte vanaf de Model 3 (marktintroductie 2017) over op een permanentmagneet-ondersteunde reluctantiemotor voor de achteras, vooral vanwege het hogere rendement bij normale rijsnelheden.
De Duitse windturbinebouwer Enercon bouwt al decennialang direct-drive-windturbines met permanentmagneetgeneratoren, zonder tandwielkast. Ook Siemens Gamesa gebruikt deze technologie in een deel van zijn offshore-turbines, waar minder onderhoud aan boord zwaar weegt.
Het Britse bedrijf YASA, sinds 2021 onderdeel van Mercedes-Benz, ontwikkelt axiale-flux-permanentmagneetmotoren: een compacte, schijfvormige bouwvorm die een hoge vermogensdichtheid combineert met een laag gewicht, gebruikt in onder meer racewagens en prestatiegerichte elektrische voertuigen.
Hoe ver is de techniek?
De kerntechniek is volwassen: permanentmagneetmotoren worden al tientallen jaren op grote schaal geproduceerd en zijn geen experimentele technologie meer. Wat wél volop in ontwikkeling is, is het verminderen van de afhankelijkheid van zeldzame aardmetalen. Ruim negentig procent van de wereldwijde verwerking van deze metalen vindt plaats in China, wat de aanvoer geopolitiek kwetsbaar maakt voor autofabrikanten en windturbinebouwers elders.
Onderzoekers werken aan meerdere sporen. Sommige fabrikanten, waaronder Toyota, hebben gerapporteerd dat ze het aandeel neodymium in hun magneten met tientallen procenten kunnen verminderen door het deels te vervangen door goedkopere, algemener beschikbare zeldzame aardmetalen zoals lanthaan en cerium. Andere partijen onderzoeken magneten die helemaal geen zeldzame aardmetalen bevatten, zoals op ijzernitride gebaseerde magneten. Deze aanpakken bevinden zich nog in een vroeger ontwikkelstadium dan de gangbare neodymiummagneten en hebben doorgaans een lagere magnetische sterkte, wat compromissen vraagt in ontwerp en formaat van de motor.
Een ander obstakel is kostprijs: de elektronica die nodig is om een permanentmagneetmotor precies aan te sturen, is complexer en duurder dan bij eenvoudigere motortypes. Voor de meeste toepassingen wegen de voordelen in rendement en compactheid daar inmiddels ruim tegenop, maar bij zeer goedkope toepassingen blijft de klassieke inductiemotor soms de praktischere keuze.
Wie werken eraan?
Op het gebied van elektrische aandrijflijnen voor auto's zijn Tesla, Toyota, Bosch en ZF Friedrichshafen grote spelers, naast gespecialiseerde motorontwikkelaars als het Britse YASA (nu onderdeel van Mercedes-Benz). In windenergie zijn Siemens Gamesa (Duitsland/Spanje) en Enercon (Duitsland) toonaangevend in direct-drive-technologie met permanentmagneten.
Aan magneetmaterialen zelf wordt onder meer gewerkt door het Amerikaanse start-up Niron Magnetics, dat onderzoek doet naar ijzernitride-magneten en daarbij is gesteund door onder meer het Amerikaanse ministerie van Energie. Universiteiten en onderzoeksinstituten in Japan, de Verenigde Staten en Europa — waaronder het Duitse Fraunhofer-instituut — doen structureel onderzoek naar zowel sterkere als grondstofzuinigere magneetmaterialen. Op grondstoffenniveau blijft China de dominante speler in mijnbouw en verwerking van zeldzame aardmetalen, wat het onderwerp ook een geopolitieke dimensie geeft die de Europese Unie en de Verenigde Staten met eigen grondstoffenstrategieën proberen te adresseren.