ZF halveert hoeveelheid magneetmateriaal in elektromotor zonder vermogensverlies

ZF heeft een elektrische aandrijving ontwikkeld die volgens de fabrikant 50 procent minder magneetmateriaal nodig heeft dan een vergelijkbare bestaande aandrijving. Ook is de complete eenheid ongeveer een kwart kleiner en lichter, terwijl het vermogen en rendement gelijk blijven. Daarvoor laat ZF de elektromotor veel sneller draaien dan gebruikelijk. 

Met deze techniek wil de Duitse toeleverancier vooral de productie van betaalbare en middelgrote elektrische auto's goedkoper maken.

De helft minder magneetmateriaal bij hetzelfde vermogen

Elektromotoren zijn al behoorlijk efficiënt, maar bij het materiaalgebruik valt kennelijk nog veel te winnen. ZF vergelijkt de nieuwe High Revolution Drive met zijn bestaande Select-aandrijving, waarvan de elektromotor maximaal 18.000 toeren per minuut draait. Bij hetzelfde vermogen heeft de nieuwe aandrijfeenheid ongeveer een kwart minder ruimte nodig en weegt hij 25 procent minder. De benodigde hoeveelheid magneetmateriaal is zelfs gehalveerd.

Die besparing gaat volgens ZF niet ten koste van het rendement. Dat bedraagt bijna 93 procent en ligt daarmee op het niveau van de bestaande aandrijving. 

Het gaat hierbij om de complete aandrijfeenheid, waarin de elektromotor, vermogenselektronica en transmissie zijn samengebracht. De besparing in gewicht en ruimte geldt dus niet alleen voor de elektromotor, maar voor het geheel.

Waarom ZF de elektromotor zoveel sneller laat draaien

De truc zit in het toerental. Het vermogen van een elektromotor hangt af van twee zaken: hoe snel hij draait en hoeveel koppel hij levert. Wanneer de motor sneller draait, is voor hetzelfde vermogen minder koppel nodig. Dat maakt het mogelijk om hem kleiner en lichter te bouwen.

ZF laat zijn nieuwe elektromotor daarom maximaal 30.000 toeren per minuut draaien. Dat is bijna twee keer zo snel als bij veel gangbare elektromotoren. Om vervolgens voldoende trekkracht aan de wielen te krijgen, gebruikt ZF een tweetraps transmissie met een overbrengingsverhouding van ongeveer 18:1. De getoonde aandrijving levert daarmee maximaal 3.500 Nm koppel aan de wielen.

Daar komt uiteraard wel het nodige bij kijken. Bij zulke hoge toerentallen krijgen vooral de lagers en tandwielen het zwaarder te verduren. Ook trillingen en geluid kunnen een probleem vormen. ZF heeft de elektromotor en transmissie daarom gezamenlijk ontwikkeld, zodat ze goed op elkaar zijn afgestemd.

Overigens is een toerental van 30.000 niet helemaal nieuw. BYD presenteerde eerder al een elektromotor die zelfs 30.511 toeren per minuut haalt. Bij ZF is vooral de combinatie van een hoog toerental, minder materiaalgebruik en een compacte aandrijfeenheid interessant.

De halvering van het magneetmateriaal kan meer opleveren dan alleen lagere productiekosten. Veel elektromotoren gebruiken permanente magneten waarin zeldzame aardmetalen zoals neodymium zitten. En juist bij de levering van die grondstoffen speelt China een dominante rol.

Volgens het International Energy Agency was China in 2024 verantwoordelijk voor 91 procent van de wereldwijde raffinage van zeldzame aardmetalen voor magneten. Bij de productie van krachtige permanente magneten was het Chinese aandeel zelfs 94 procent.

Voor autofabrikanten is dat geen ideale situatie. Ze zijn daardoor sterk afhankelijk van een beperkt aantal leveranciers en landen. Door minder magneetmateriaal te gebruiken, kan die afhankelijkheid afnemen.

Daarbij is wel een nuance op zijn plaats. ZF spreekt over 50 procent minder magneetmateriaal, niet expliciet over 50 procent minder zeldzame aardmetalen. Hoeveel daarvan daadwerkelijk wordt bespaard, blijkt niet uit de bekendgemaakte gegevens.

Ook zal een elektrische auto hierdoor niet zomaar duizenden euro's goedkoper worden. De elektromotor maakt immers maar een deel van de totale voertuigkosten uit. Bij grote productieaantallen kan een dergelijke materiaalbesparing voor autofabrikanten wel degelijk interessant zijn.

Overigens is ZF niet de enige toeleverancier die op zoek is naar verbeteringen in relatief alledaagse auto-onderdelen. Zo ontwikkelt Schaeffler een lamellenrem waarmee het bedrijf de uitstoot van remstof wil beperken. Het laat zien dat er ook buiten de accutechnologie nog volop aan elektrische auto's wordt gesleuteld.

Vooral bedoeld voor betaalbare en middelgrote elektrische auto's

ZF richt zich met de High Revolution Drive op personenauto's met een aandrijfvermogen van ongeveer 150 tot 200 kW. Dat is een vermogensklasse die goed past bij veel elektrische auto's in het middensegment. De techniek is bovendien geschikt voor zowel 400- als 800-voltsystemen.

De nieuwe aandrijving bestaat inmiddels niet meer alleen op de tekentafel. ZF heeft werkende prototypes gebouwd en getest en werkt aan een demonstratieauto. Ook zijn er volgens het bedrijf al gesprekken met verschillende autofabrikanten.

De officiële planning voorziet in serieproductie uiterlijk in 2030. In een interview met Automobil Industrie geeft Thomas Meiser van ZF aan dat productie in China mogelijk al eerder kan beginnen. Voor Europese voertuigplatforms verwacht hij een langere aanloop.

Dat betekent dat het waarschijnlijk nog enige tijd duurt voordat de nieuwe aandrijving daadwerkelijk in een elektrische auto op de Nederlandse markt verschijnt. Een eerste afnemer of automodel heeft ZF nog niet bekendgemaakt.