In 2025 zijn er tal van aankondigingen gedaan over motoren voor elektrische voertuigen (EV's) met hoge snelheden, waarvan sommige meer dan 30.000 tpm halen. Wat zit er achter deze plotselinge behoefte aan snelheid? Een rapport van IDTechEx bespreekt de voordelen, uitdagingen en oplossingen van deze aanpak.

In een voertuig met een verbrandingsmotor (ICE) wordt een hoger maximumtoerental geassocieerd met betere prestaties, waardoor bestuurders hun motor langer kunnen laten draaien voordat ze moeten schakelen. Aangezien vermogen een functie is van toerental en koppel, kan een motor met een hoger toerental meer vermogen leveren bij die hogere toerentallen.

Op de EV-markt nam het toerentalbereik vrijwel onmiddellijk toe. Terwijl een gemiddelde benzineauto een maximumtoerental van ongeveer 5.000-6.000 tpm haalt, ligt het gemiddelde toerental van een EV-motor tussen 10.000 en 15.000 tpm, een snelheid waarmee het voertuig zijn volledige snelheidsbereik kan benutten zonder dat er meerdere versnellingen nodig zijn.

Kleiner en goedkoper

Voor hetzelfde vermogen zijn EV-motoren veel compacter dan een typische ICE, maar dit heeft de EV-ontwikkelaars er niet van weerhouden om hun motoren nog kleiner en krachtiger te maken om ruimte vrij te maken en kosten te besparen. Een manier om dit te bereiken is door de topsnelheid van de motor te verhogen.

Tesla en Lucid brachten in 2021 respectievelijk de Model S Plaid en Air op de markt, beide met motoren met een maximaal toerental van ongeveer 20.000 tpm. In 2025 werden door verschillende spelers, waaronder BYD, Xiaomi en GAC, nog snellere EV-motoren aangekondigd met een toerental van meer dan 30.000 tpm.

Deze ontwikkeling naar hogere toerentallen heeft geleid tot compactere motoren met een hoger vermogen. Als de uiteindelijke prestaties van een motor gelijk blijven, maar de motor kleiner is, worden de materiaalkosten verlaagd en biedt de kleinere motor meer ruimte in het voertuig voor inzittenden of andere aandrijfcomponenten.

Uit de database van IDTechEx bleek dat voor radiale flux PM-machines (permanente magneet) het verhogen van het maximale toerental van 10.000 naar 20.000 tpm de vermogensdichtheid met 69% verhoogde, en een verdere verhoging naar 30.000 tpm leverde nog eens 41% extra op.

Problemen en hun oplossingen

Het opvoeren van de snelheid van motoren heeft echter ook nadelen. Ten eerste zijn er de AC-verliezen (wisselstroom): motoren worden doorgaans aangedreven door driefasige stroom in de statorwikkelingen. Bij een snellere motor neemt de frequentie van de sinusvormige stroom toe, maar dat geldt ook voor de parasitaire verliezen in de statorwikkelingen (koper-wisselstroomverliezen) en lamineringen (ijzer-wisselstroomverliezen). Oplossingen zijn onder meer minder polen om de vereiste frequentie te verlagen en dunnere lamineringen of amorfe materialen.

Ten tweede neemt bij hogere snelheden de centrifugale kracht op de rotor toe, waardoor de structuur van de rotor een uitdaging vormt. Oplossingen: hogere snelheden kunnen worden bereikt door een kleinere rotordiameter, waardoor de centrifugale krachten worden verminderd. Er kan ook meer aandacht worden besteed aan het structurele ontwerp van de rotor en de geometrie van de magneet. Sommigen hebben ook gekozen voor een koolstofomhulling van de rotor om de structuur ervan te behouden.

Ten derde kan er een koelingsprobleem ontstaan: thermisch beheer kan een uitdaging zijn wanneer alles compacter is. De meeste spelers maken nu gebruik van directe oliekoeling om de koelvloeistof zo dicht mogelijk bij de warmtegenererende componenten te brengen. Dit is vooral cruciaal voor motoren met een hogere snelheid. Hoewel dit de complexiteit kan vergroten, is het mogelijk om de watermantel die in eerdere ontwerpen werd gebruikt, te elimineren.

Op de vierde plaats komen de overbrengingsverhoudingen. Naarmate de motor sneller draait, is een hogere overbrengingsverhouding van de transmissie nodig om de gewenste wielsnelheid te bereiken. Er kunnen meerdere reductiefasen worden gebruikt, maar elk daarvan zou extra kosten en complexiteit met zich meebrengen. Om te voorkomen dat er extra reductiefasen (meer dan de gebruikelijke 2) moeten worden toegevoegd, moet het tandwiel van de eerste fase erg klein zijn.

Last but not least zijn er de lagers. Deze worden blootgesteld aan grotere belastingen en wrijvingswarmte, en eventuele onevenwichtigheden in de rotor vertalen zich direct in dynamische krachten op de lagers. De oplossing: er wordt meer technische aandacht besteed aan keramische (of hybride keramische) lagers. Deze worden in de toekomst een standaardoplossing.

Op zoek naar het evenwicht

Er zijn zeker oplossingen voor de uitdagingen van hogesnelheidsmotoren. Toch moet er een evenwicht zijn tussen de potentiële prestaties en kostenvoordelen van een kleinere, snellere motor en de mogelijke extra kosten en complexiteit van oplossingen voor de uitdagingen.

Met dit in gedachten zal een aanzienlijk deel van de EV-markt waarschijnlijk motoren met een meer gematigd toerentalbereik blijven gebruiken. Toch zal er ongetwijfeld een toename zijn in het gebruik van hogesnelheidsmotoren, elektrische aandrijfeenheden en eAxles.

Het nieuwste rapport van IDTechEx, Elektromotoren voor elektrische voertuigen 2026-2036, analyseert het huidige technologie- en materiaalaanbod voor elektromotoren in elektrische voertuigen en voorspelt toekomstige trends en de vraag voor de komende tien jaar.

Het Britse onderzoeksbureau IDTechEx voorspelt dat er in 2036 meer dan 140 miljoen elektromotoren nodig zullen zijn voor de EV-markt in segmenten zoals auto's, vrachtwagens, bussen, tweewielers, driewielers, microauto's en lichte bedrijfsvoertuigen.