Opbouw: uit deze onderdelen bestaat een elektromotor
Hierboven zijn al een paar vaktermen over elektromotoren genoemd. In dit hoofdstuk gaan we nu dieper in op de afzonderlijke onderdelen van de elektromotor.
Stator
De stator is het stilstaande deel van de elektromotor. Afhankelijk van het motortype wordt hier een permanente magneet of een elektromagneet gebruikt. Bij de meeste motoren bevindt de stator zich aan de buitenkant en is deze verbonden met de behuizing. Er zijn echter ook motoren waarbij het stilstaande deel zich binnenin bevindt en de rotor rond de stator draait. In dat geval spreekt men dan van een buitenrotor.
Rotor
Het bewegende deel van de elektromotor wordt rotor, anker of draaier genoemd. In de meeste gevallen bestaat de rotor uit een as en een spoel van gelakt koperdraad, waar de stroom doorheen loopt en waardoor de rotor tot een elektromagneet wordt.
Anker
Anker wordt vaak als synoniem voor de rotor gebruikt, maar beschrijft in engere zin de ijzeren kern van de rotor, waar de spoelen omheen zijn gewikkeld.
Commutator
De commutator ontleent zijn naam aan het Latijnse woord commutare (= omwisselen) en zorgt ervoor dat de stroomrichting verandert. Daarom wordt hij ook vaak stroomomkeerder genoemd. Met de stroomrichting verandert ook het magnetisch veld van de elektromagneet. Dit is nodig om te voorkomen dat de motor stilvalt. De commutator is in veel gevallen een metalen schijf die is onderverdeeld in twee van elkaar geïsoleerde segmenten en die mee draait met de as van de motor. De stroomtoevoer vindt meestal plaats via koolborstels die tegen de commutator worden gedrukt. Na een halve omwenteling van de motor wordt de stroomtoevoer kort onderbroken, waarna de stroom in omgekeerde richting door de spoel vloeit. De volgende animatie illustreert dit principe:

Bron: MichaelFrey (eigen werk) https://web.archive.org/web/20210724051701/ https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0
Stroombron
Zonder elektromagneten werkt geen enkele elektromotor. Daarom moet elke elektromotor beschikken over een stroombron die de eigenlijk niet-magnetische rotor tot een elektromagneet maakt.
Borstel
Met borstels, die vaak van grafiet zijn gemaakt, wordt de rotor via de commutator van stroom voorzien.
Condensator
Een condensator slaat energie op en geeft deze gericht af. Veel elektromotoren hebben bedrijfscondensatoren die ervoor zorgen dat de motor start, in de juiste richting draait en zijn kracht gelijkmatig ontwikkelt. Zeer grote machines kunnen bovendien ook een aanloopcondensator hebben. De condensatoren zijn vaak aan de buitenkant van de behuizing van de motor bevestigd. Het zijn relatief goedkope slijtageonderdelen en vaak de oorzaak wanneer de elektromotor niet start.
Verschillende typen
Er zijn tal van verschillende soorten elektromotoren. Het zou te ver voeren om alle soorten hier in onze blog op te sommen. We willen hier echter in ieder geval de belangrijkste soorten elektromotoren kort toelichten. Grofweg worden elektromotoren onderverdeeld in twee klassen: gelijkstroommotoren en draai- of wisselstroommotoren.
Gelijkstroommotor (ook wel commutatormotor genoemd)
Gelijkstroommotoren worden – zoals de naam al aangeeft – aangedreven door gelijkstroom. Ze zijn daarom afhankelijk van de hierboven genoemde commutator om te kunnen functioneren. Deze mechanische omvormer zorgt ervoor dat de stroom automatisch bij elke halve omwenteling van de as van polariteit verandert.
Bij gelijkstroommotoren wordt op zijn beurt weer onderscheid gemaakt tussen twee subklassen: de permanent-geëxciteerde en de elektrisch-geëxciteerde motoren. Bij de permanent-geëxciteerde gelijkstroommotor is de stator een permanente magneet en is alleen de rotor een elektromagneet. Dit type wordt bijvoorbeeld gebruikt in ventilatoren of auto-startmotoren.
Bij de elektrisch bekrachtigde gelijkstroommotor zijn beide hoofdonderdelen elektromagneten. Hier wordt nogmaals onderscheid gemaakt tussen serie- of hoofdschakelingsmotoren enerzijds en shuntmotoren anderzijds. Het verschil: bij de shuntmotor hebben de stator en de rotor elk een eigen stroombron. Een motor in hoofdschakeling heeft slechts één stroombron. Deze motoren kunnen ook op wisselstroom worden aangedreven en staan daarom ook bekend als universele motoren. Elektrisch bekrachtigde gelijkstroommotoren worden in veel huishoudelijke apparaten gebruikt.
Wisselstroom- en draaistroommotoren
Bij de draaistroommotor wordt het nog iets ingewikkelder. Een draaistroommotor wordt aangedreven door driefasige wisselstroom, die ook wel draaistroom of in de volksmond sterkstroom wordt genoemd. De stator van de motoren bestaat uit drie spoelen, die elk worden gevoed door één spanningsfase van de draaistroom. De drie fasen van de wisselstroom zijn qua fase telkens 120 graden ten opzichte van elkaar verschoven. Het magnetische veld, dat telkens met een derde is verschoven, zorgt ervoor dat de rotor draait.
Ook bij draaistroommotoren wordt onderscheid gemaakt tussen twee subklassen: synchrone en asynchrone machines. Bij asynchrone machines loopt de rotor qua frequentie achter op die van het magnetisch veld. Bij synchrone motoren is de frequentie van de rotor en het magnetisch veld identiek. Wat klinkt als een klein detail, maakt in de praktijk een enorm verschil. Synchrone motoren zijn aanzienlijk efficiënter en kunnen een rendement tot 90% bereiken. Ze zijn echter ook duurder in de productie en het gebruik is onderhoudsintensief. Daarom worden ze slechts zelden gebruikt, bijvoorbeeld in compressoren, scheepsvoortstuwing of versnipperaars. Iets vaker worden ze ingezet als generator – dus in het omgekeerde geval, waarin mechanische energie in elektrische energie moet worden omgezet.
Bij de asynchrone motor ligt dat heel anders: dit motortype is goedkoop en staat bekend als zeer robuust. Het is dan ook geen toeval dat driefasige asynchrone motoren veruit de meest gebruikte elektromotoren zijn. Naar schatting is ongeveer 80% van alle energie die wereldwijd door elektromotoren wordt verbruikt, toe te schrijven aan asynchrone motoren. Ze worden in bijna alle industriële sectoren ingezet, bijvoorbeeld als aandrijving in werktuigmachines, ventilatoren, pompen of transportbanden.
Ook bij de draaistroommachines zijn er nog verdere subcategorieën, waar we hier niet nader op ingaan. De volgende afbeelding geeft een overzicht van de belangrijkste typen.

Bron: https://web.archive.org/web/20210724051701/https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0 https://web.archive.org/web/20210724051701/ https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ASystem_Drehstrommaschinen_de.svg via Wikimedia Commons
Toepassingsgebieden
De toepassingsgebieden van elektromotoren zijn uiterst divers. Bijna geen enkele moderne uitvinding zou denkbaar zijn zonder elektromotoren. Het spectrum reikt van kleine ventilatoren die de computer koelen of in de auto voor frisse lucht zorgen, via de wasmachine tot industriële motoren of scheepsmotoren met een vermogen van vele megawatt. In de volgende hoofdstukken willen we enkele voorbeelden uit de sectoren industrie en mobiliteit presenteren.
Toepassing in de industrie
De toepassingsgebieden van elektromotoren in de industrie zijn onderverdeeld in twaalf categorieën. Ze stellen allemaal verschillende eisen – daarom worden er ook verschillende motortypen gebruikt.
- Aandrijvingen van transportbanden (robuust en betrouwbaar – continu gebruik).
- Aandrijvingen van voertuigen voor materiaaltransport (hoge precisie).
- Aandrijvingen van kranen, bouwliften of andere hijsinrichtingen.
- Positioneringsaandrijvingen, waarmee bijvoorbeeld afzonderlijke onderdelen naar de plaats van bestemming worden getransporteerd.
- Aandrijvingen voor industriële robots.
- Synchrone aandrijvingen, bijvoorbeeld voor walsen of drukken.
- Aandrijvingen voor het op- en afwikkelen van bijvoorbeeld staalplaat of papier (bijzondere eis hierbij: de snelheid moet voortdurend worden aangepast aan de omtrek van de rol).
- Klimtandwielaandrijvingen voor dwarssnijders of vliegende zagen (het materiaal beweegt tijdens het snijden).
- Aandrijvingen met een onregelmatige beweging, zoals die bijvoorbeeld bij het stansen worden gebruikt.
- Aandrijvingen voor vervormingsprocessen, bijvoorbeeld persen.
- Gereedschapsaandrijvingen, bijvoorbeeld voor boren, frezen of slijpen.
- Aandrijvingen van ventilatoren of pompen.
De efficiëntie van elektromotoren in de industrie
De afgelopen decennia heeft de aandacht voor milieubescherming niet alleen in de particuliere sector geleid tot steeds hogere eisen aan de efficiëntie van elektrische apparaten. Ook de – doorgaans in de industrie gebruikte – laagspannings-draaistroomasynchrone motoren hebben hun eigen efficiëntieklassen. Wat bij koelkasten een schaal van G tot A (beste) is, is bij laagspannings-draaistroomasynchrone motoren in het vermogensbereik van 0,75 kW tot 375 kW de schaal van IE1 tot IE4 (beste). Motoren met het standaardrendement van klasse IE1 mogen sinds 2011 slechts in beperkte mate worden verkocht.
Elektromobiliteit
Ook al lijkt het alsof elektrische auto’s en e-bikes pas sinds een paar jaar in de belangstelling staan – de geschiedenis van de elektromobiliteit gaat terug tot in de 19e eeuw. In treinen en trams heeft deze technologie zich zeer snel doorgezet. Bij andere vervoersmiddelen, zoals de auto en de fiets, heeft het meer dan 100 jaar geduurd voordat de technologie echt doorbrak.
In de auto
Toen de auto nog in de kinderschoenen stond, was de vraag welke aandrijfwijze zich uiteindelijk als standaard zou doorzetten, lang niet zo snel in het voordeel van de verbrandingsmotor beslist als men vandaag de dag misschien zou denken. De machinefabriek A. Flocken bouwde in 1888 de eerste vierwielige personenauto met elektrische aandrijving in Duitsland. In 1900 was 40% van alle auto’s in de VS stoom aangedreven, 38% reed elektrisch en slechts 22% op benzine. Maar al snel werd de elektrische auto een nicheproduct. De kwetsbare accu’s en de veel geringere actieradius waren grote nadelen van de elektrische auto, die in het voordeel van de verbrandingsmotor spraken. De elektromotor werd alleen nog maar gebruikt in hulpaggregaten, bijvoorbeeld voor de ventilatie van het interieur of bij de startmotor.
Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van accu’s en vooruitgang op het vlak van milieubescherming zorgden ervoor dat het onderwerp in de jaren negentig weer op de agenda kwam. Maar pas het Amerikaanse bedrijf Tesla, dat in 2006 zijn Roadster introduceerde, bracht eindelijk dynamiek in de markt voor elektrische auto’s. Tegenwoordig hebben bijna alle grote fabrikanten volledig elektrische auto’s of op zijn minst plug-in-hybriden in hun assortiment. De elektrische auto is aan het begin van de jaren 2020 aan zijn zegetocht begonnen. Aangezien inmiddels is besloten dat verbrandingsmotoren in nieuwe auto’s verdwijnen, zullen elektrische auto’s benzine- en dieselauto’s binnenkort hebben verdrongen.
Welke elektromotor wordt in de auto gebruikt?
Er zijn verschillende concepten die in aanmerking komen voor de aandrijving van een elektrische auto, bijvoorbeeld omvormergestuurde synchrone en asynchrone motoren, maar ook gelijkstroommotoren. Toen de BMW i3 als een van de eerste Duitse serieproductiemodellen met een puur elektrische motor op de markt kwam, werd hij bijvoorbeeld aangedreven door een 170 PS sterke hybride synchrone motor in de achteras. In de eerste volledig elektrische e-Golf van VW deed een 115 PS sterke, door permanente magneten aangedreven synchromotor zijn werk. De kleine auto Renault Zoe heeft een extern bekrachtigde driefasige synchrone motor met een maximaal vermogen van 92 PS. Ook bij de moderne elektrische auto’s, die inmiddels steeds krachtiger worden, blijven er verschillen bestaan in het aandrijfconcept. De Audi E-Tron S heeft maar liefst drie asynchrone motoren ingebouwd. De Porsche Taycan maakt, afhankelijk van de uitvoering, gebruik van één of twee permanent-gemagnetiseerde synchrone motoren. En BMW brengt in de iX3 en iX een elektrisch-gemagnetiseerde synchrone motor (SSM) op de weg.
In treinen
In tegenstelling tot het individuele verkeer werden in het openbaar vervoer al vroeg de voordelen van elektromotoren onderkend. Omdat sporen en bovenleidingen geëlektrificeerd kunnen worden, is het nadeel van de beperkte actieradius bij treinen, metro’s en trams niet van toepassing. Stroom is voor spoorvoertuigen immers altijd beschikbaar; grillige accu’s zijn niet nodig. Hoe groot het potentieel van elektromotoren in treinen is, werd al aan het begin van de 20e eeuw duidelijk. In 1903 doorbraken experimentele elektrische motorwagens van Siemens en AEG beide de grens van 200 kilometer per uur als topsnelheid. Inmiddels ligt het wereldsnelheidsrecord voor spoorvoertuigen op meer dan 570 km/u, gevestigd door een experimenteel voertuig op basis van de TGV.
Welke motoren drijven de ICE aan?
In de verschillende series van de InterCity Express van de Deutsche Bahn worden ook verschillende aandrijfconcepten en motoren gebruikt. Een 200 meter lange hogesnelheidstrein van het type ICE 3 heeft bijvoorbeeld maar liefst 16 aandrijfmotoren, die over de hele trein zijn verdeeld. Eén van deze driefasige asynchrone motoren haalt een maximaal vermogen van 500 kilowatt. De hele trein heeft dus een vermogen van 8000 kilowatt, dat is meer dan 10800 pk.
In de e-bike
De eerste fietsen met elektrische ondersteuning bestonden al in de 19e eeuw. E-bikes en pedelecs zijn echter pas in het recente verleden echt in de mode gekomen. Door de voortdurende ontwikkeling, vooral op het gebied van accutechnologie, is de fiets met elektromotor inmiddels voor steeds meer mensen een aantrekkelijk vervoermiddel geworden. Het marktaandeel bedroeg in 2016 ongeveer 15%; de trend is duidelijk stijgend.
Bij fietsen met een elektromotor zijn er verschillende aandrijfconcepten. Strikt genomen is een e-bike een fiets waarbij de motor ook zonder tussenkomst van de fietser actief is. Bij een pedelec daarentegen wordt de motor pas actief wanneer de fietser trapt – de motor biedt dus alleen ondersteuning. In het algemeen wordt de term „e-bike“ echter vaak voor beide typen gebruikt. De motor zit ofwel in de wielen (naafmotor) of wordt centraal op de fiets gemonteerd (middenmotor). In ieder geval over het type elektromotor dat wordt gebruikt, is de industrie het inmiddels grotendeels eens. Er worden bijna uitsluitend nog gelijkstroommotoren met permanente magneten zonder schuifcontacten gebruikt.
In schepen
Schepen die uitsluitend op elektromotoren varen, zijn nog steeds een absolute uitzondering. In Noorwegen werd in 2013 de wereldwijd eerste volledig elektrisch aangedreven veerboot gepresenteerd. Wie denkt dat bijna alle moderne schepen uitsluitend op verbrandingsmotoren varen, heeft het echter mis. Ook geïntegreerde elektrische aandrijvingen zijn gangbaar. Hier zorgen elektromotoren voor de daadwerkelijke voortstuwing, terwijl met diesel of gas aangedreven generatoren de benodigde stroom opwekken. Prominente voorbeelden van deze categorie zijn de transatlantische liners Queen Elisabeth 2 en Queen Mary 2. De Queen Elisabeth 2 werd in 1986 omgebouwd naar een diesel-elektrische aandrijving, waarbij twee elektromotoren elk 44 megawatt vermogen op de schroeven overbrengen. De Queen Mary 2 heeft vier elektromotoren en haalt een totaal motorvermogen van 86 megawatt. De stroom wordt opgewekt door vier dieselmotoren en twee gasturbines met een gezamenlijk vermogen van 126 megawatt.
Elektromotor versus verbrandingsmotor
Er zijn tal van levensgebieden waarin elektromotoren grotendeels of zelfs volledig de overhand hebben gekregen op verbrandingsmotoren. En binnenkort staat ons deze tijd ook op het gebied van mobiliteit te wachten. Met Volvo had de eerste gerenommeerde autofabrikant al jaren geleden aangekondigd op middellange termijn volledig op elektromotoren te willen inzetten. Inmiddels is het in de hele EU wettelijk vastgelegd dat er vanaf 2035 geen nieuwe voertuigen met verbrandingsmotoren meer mogen worden geregistreerd. Hoog tijd dus om de voor- en nadelen van elektromotoren en verbrandingsmotoren eens tegen elkaar af te wegen.
Eenvoudigere opbouw: een verbrandingsmotor is aanzienlijk ingewikkelder dan een vergelijkbare elektromotor. Terwijl een typische personenautomotor tegenwoordig uit ongeveer 1400 onderdelen bestaat, heeft een vergelijkbare elektromotor slechts 1000 onderdelen nodig. Hoe minder complex een motor is, hoe minder gevoelig deze doorgaans is voor storingen en hoe goedkoper het onderhoud is.
Laag gewicht: Een elektromotor is aanzienlijk lichter dan een verbrandingsmotor. Bij hetzelfde vermogen is een benzinemotor ongeveer vier keer zo zwaar. Dit geldt echter alleen voor de motor zelf; het voordeel wordt tenietgedaan door de zware accu’s (zie hieronder: energiedichtheid).
Vermogensontplooiing: eenduidelijk voordeel voor de elektromotor. Een elektromotor kan al kort na het starten zijn volledige koppel leveren. Een verbrandingsmotor heeft doorgaans een bepaald toerental nodig om het maximale koppel te bereiken; om tijdens het rijden zo dicht mogelijk bij deze waarde te komen, wordt het toerental via een versnellingsbak aangepast. Bij de elektromotor is een versnellingsbak in de meeste gevallen niet nodig.
Minder geluid: Naast het voordeel dat er bij het gebruik van een elektrische auto geen schadelijke stoffen worden uitgestoten (die ontstaan echter wel al eerder bij de productie van de stroom), heeft de elektromotor het voordeel dat hij aanzienlijk stiller is.
Lage energiedichtheid: Het misschien wel grootste nadeel van de elektromotor is de lage energiedichtheid van de accu’s. De energieopslagmiddelen halen bij lange na niet de energiedichtheid van benzine of diesel. Daarom zijn er veel accu’s nodig om een actieradius mogelijk te maken die ten minste in de buurt komt van die van een verbrandingsmotor. De accu’s zijn zwaar; het voordeel van het lage gewicht is daarmee verdwenen.
Gebrekkige infrastructuur: Ook op het gebied van tanken komt de elektrische auto momenteel nog tekort. De infrastructuur wordt weliswaar voortdurend uitgebreid, maar als alle auto’s van de ene op de andere dag alleen nog maar elektriciteit zouden tanken, zou dat tot absolute chaos leiden. Omdat het opladen van een elektrische auto – snellader of niet – aanzienlijk langer duurt dan het tanken van 50 liter benzine of diesel, zouden er waarschijnlijk veel meer oplaadpunten nodig zijn dan er vandaag de dag benzinepompen zijn. Anders zou de voorziening, in ieder geval tijdens typische reistijdstippen (het begin van de vakantie), niet gewaarborgd zijn. Tot nu toe houdt de uitbreiding van het laadnetwerk echter goed gelijke tred met de ontwikkeling van het aantal registraties, en hoeven bestuurders van elektrische auto’s zich doorgaans geen zorgen te maken over het vinden van een plek bij de laadpaal.
Verwarming gaat ten koste van de actieradius: eigenlijk is het een voordeel dat er bij het gebruik van een elektromotor nauwelijks afvalwarmte ontstaat (zie hieronder: energiebalans): in de winter komen echter ook de nadelen naar voren. Omdat de motor het interieur niet verwarmt, moet er met stroom worden verwarmd. Het gebruik van de verwarming vermindert daarom de actieradius van de elektrische auto.
Efficiëntie en ecobalans: De energiebalans van elektrische auto’s is aanzienlijk beter dan die van een auto met verbrandingsmotor, ondanks de kostbare productie van de accucellen. Over de gehele levenscyclus bekeken stoot een elektrische auto minstens 30% minder CO₂ uit. Op het eerste gezicht heeft de elektromotor zelfs een enorme voorsprong: 90% van de gebruikte energie wordt omgezet in beweging; bij de verbrandingsmotor is dat slechts 30%, de rest gaat hier verloren door warmte en wrijving. Er zijn echter twee zaken die we niet mogen vergeten: een elektromotor is slechts zo milieuvriendelijk als de bron waaruit de stroom afkomstig is. Als deze afkomstig is uit kolencentrales, verliest de elektromotor het. Hoe meer schone of hernieuwbare energiebronnen er worden gebruikt, hoe beter de elektromotor het natuurlijk doet. Ook bij de productie van de accu’s is veel energie nodig. En ook hier speelt het soort energiebron een doorslaggevende rol in de ecobalans van de elektrische auto.
Diagnose en reparatie
Nadat we in de vorige hoofdstukken veel algemene aspecten van de elektromotor hebben behandeld, richten we ons nu op het onderwerp foutdiagnose en reparatie van elektromotoren. Aangezien we dit onderwerp al uitgebreid in andere blogberichten hebben behandeld, gaan we hier niet in detail in, maar verwijzen we alleen naar onze andere artikelen. Wie tips nodig heeft voor het opsporen van storingen in elektromotoren, vindt deze in de volgende artikelen:
Onderhoud
Om te voorkomen dat er überhaupt een defect ontstaat, is professioneel onderhoud van elektromotoren van groot belang. Regelmatig onderhoud wordt tegenwoordig echter nog maar zelden aanbevolen, omdat hierbij vaak nog intacte onderdelen worden vervangen, waardoor de kosten onnodig hoog oplopen. De experts van GP Prüfservice GmbH weten uit hun jarenlange ervaring in de industriële dienstverlening dat conditiegericht of, idealiter, proactief onderhoud de beste keuze is.