Directe aandrijfconstructie: motoren zonder tandwielkast
Stel je een fiets voor zonder kettingwielen of derailleur: je trapt rechtstreeks op een as die het achterwiel aandrijft. Geen schakelsysteem dat de snelheid van je benen omzet in de snelheid van het wiel, maar één rechtstreekse verbinding. Dat is in de kern wat een directe aandrijfconstructie (in het Engels: direct drive) doet: een motor of generator wordt rechtstreeks gekoppeld aan de last die hij aandrijft, zonder tussenkomst van een tandwielkast of versnellingsbak.
Dit begrip duikt op in heel verschillende technische werelden die op het eerste gezicht weinig met elkaar te maken hebben: windturbines die stroom opwekken, elektrische auto's die willen versnellen, en robotarmen die met submillimeter-precisie moeten bewegen. Overal speelt hetzelfde idee: hoe minder mechanische schakels tussen de energiebron en de beweging, hoe minder er kan slijten, lekken of haperen. Maar directe aandrijving is geen wondermiddel — het brengt ook eigen beperkingen met zich mee, zoals we verderop zullen zien.
Wat is het precies?
In een traditionele aandrijving zit vrijwel altijd een tandwielkast (ook wel versnellingsbak genoemd) tussen de motor en de last. Een tandwielkast zet een bepaald toerental (het aantal omwentelingen per minuut, afgekort rpm) en koppel (de draaikracht die een as kan leveren) om in een ander toerental en koppel. Een motor die snel maar met weinig kracht draait, kan via tandwielen worden omgezet naar een as die langzaam maar met veel kracht draait, of andersom.
Bij directe aandrijving valt deze tussenstap weg. De motor of generator is zelf zo ontworpen dat hij precies het toerental en koppel levert dat nodig is, zonder hulp van tandwielen. Dat klinkt eenvoudig, maar vraagt om een heel ander ontwerp van de elektromotor zelf.
Een veelgebruikte truc is het sterk verhogen van het aantal polen in de motor. Polen zijn de magnetische noord- en zuidpunten die in een elektromotor voor de draaiende kracht zorgen; hoe meer polenparen, hoe lager het toerental kan zijn bij eenzelfde elektrische frequentie, en hoe meer koppel de machine bij dat lage toerental kan leveren. Windturbines gebruiken dit principe: een gearless generator (zonder tandwielkast) heeft vaak tientallen tot honderden polen, verdeeld over een grote ringvormige behuizing, zodat hij bij het relatief trage draaien van de wieken (doorgaans 10 tot 20 omwentelingen per minuut) toch direct bruikbare elektrische stroom opwekt.
Een andere variant is de axial-flux motor, een motortype waarbij het magnetische veld evenwijdig aan de draaias loopt in plaats van eromheen (zoals bij klassieke 'radial-flux' motoren). Dit maakt de motor plat en schijfvormig, met een gunstige verhouding tussen koppel en gewicht — een eigenschap die aantrekkelijk is voor elektrische auto's waar ruimte en gewicht kritiek zijn.
In de robotica zie je weer een andere toepassing: de torque-motor, een motor die is geoptimaliseerd om bij laag toerental hoog koppel te leveren, vaak direct gemonteerd op een robotgewricht. Hierdoor verdwijnt de speling (kleine mechanische speling, ofwel 'backlash') die een tandwielkast typisch met zich meebrengt, wat de nauwkeurigheid van de beweging ten goede komt.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter directe aandrijving is eenvoud: minder bewegende onderdelen betekent minder onderdelen die kunnen slijten, oververhitten of kapotgaan. Een tandwielkast bevat tandwielen, lagers, tandwielolie en afdichtingen — stuk voor stuk zaken die onderhoud vragen en kunnen falen.
Voor offshore windturbines is dit een zwaarwegend argument. Een storing op zee betekent dat er een gespecialiseerd onderhoudsschip of zelfs een helikopter moet uitvaren, wat kostbaar en weersafhankelijk is. Een gearless generator heeft geen tandwielkast die kan vastlopen of lekken, wat in theorie de kans op zo'n dure storing verkleint.
Daarnaast speelt rendement een rol: elke tandwielkast verliest een deel van de ingebrachte energie aan wrijving en warmte, doorgaans een paar procent per trap. Bij directe aandrijving valt dit verlies weg, wat met name bij grootschalige toepassingen zoals windparken kan optellen tot een merkbaar hoger totaalrendement.
Ook geluid en trillingen zijn een motivatie: tandwielen produceren een kenmerkend tikkend of zoemend geluid en brengen trillingen over op de rest van de constructie. Bij elektrische auto's, waar de motor vaak de enige significante geluidsbron is, kan het weglaten van een reductiekast resulteren in een stiller voertuig.
Tot slot is compactheid soms een voordeel, bijvoorbeeld bij in-wiel motoren voor voertuigen, waar de hele aandrijflijn binnen het wiel past en er geen aandrijfas meer nodig is tussen voertuig en wiel.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Duitse bedrijf Enercon geldt als pionier op het gebied van gearless windturbines. Al vanaf het einde van de jaren tachtig en het begin van de jaren negentig ontwikkelde het bedrijf turbines zonder tandwielkast, met modellen als de E-40 als vroeg voorbeeld en later de veel grotere E-126, een van de krachtigste turbines van zijn generatie. Enercon bleef decennialang vrijwel als enige grote fabrikant volledig inzetten op deze gearless-aanpak, terwijl concurrenten vaak kozen voor turbines mét tandwielkast.
Meer recent heeft ook Siemens Gamesa ingezet op directe aandrijving voor offshore wind, met de ontwikkeling van de SG 14-222 DD-turbinelijn (DD staat hier voor direct drive), aangekondigd rond 2020-2021 als een van de grootste offshore turbines die op dat moment in ontwikkeling waren.
In de automobielsector is YASA, een bedrijf opgericht in Oxford, bekend geworden om zijn axial-flux motoren met een hoge koppel-gewichtsverhouding. YASA werd in 2021 overgenomen door Mercedes-Benz, wat de interesse van grote autofabrikanten in deze technologie onderstreept.
Protean Electric is een voorbeeld van een bedrijf dat zich specifiek richt op in-wiel motoren: elektromotoren die volledig binnen de velg van een wiel passen en dat wiel rechtstreeks aandrijven, zonder aandrijfas of reductiekast.
In de industriële robotica worden torque-motoren al langere tijd toegepast in de laatste as (pols) van robotarmen die hoge precisie vereisen, zoals bij halfgeleiderproductie of fijnmechanische assemblage, al is dit minder een opvallend 'project' dan een gangbare technische praktijk bij meerdere robotfabrikanten.
Hoe ver is de techniek?
In de windenergie is directe aandrijving geen toekomstmuziek meer, maar een sinds decennia bewezen, commercieel volwassen technologie. Gearless turbines bestaan naast turbines met tandwielkast, en beide typen worden wereldwijd op grote schaal toegepast; geen van beide heeft de andere volledig verdrongen, elk heeft eigen voor- en nadelen op het gebied van gewicht, kosten en onderhoud.
In de wereld van elektrische auto's ligt dit genuanceerder. In-wiel direct drive kampt met een hardnekkig probleem: unsprung mass, oftewel onafgeveerde massa — het deel van het voertuig dat niet door de vering wordt gedragen, zoals het wiel zelf. Een motor in het wiel vergroot deze massa aanzienlijk, wat de wegligging en het rijcomfort negatief kan beïnvloeden, zeker op oneffen wegdek. Mede hierdoor hebben veel autofabrikanten vooralsnog de voorkeur gegeven aan centraal gemonteerde axial-flux of andere direct-drive motoren die niet in het wiel zelf zitten, in plaats van echte in-wiel oplossingen.
In de robotica is directe aandrijving voor precisietoepassingen al langer gangbare praktijk en geen opkomende technologie meer, al blijft er ontwikkeling plaatsvinden in efficiëntere en compactere torque-motoren.
Een terugkerend obstakel bij alle vormen van directe aandrijving is de afhankelijkheid van permanente magneten gemaakt van zeldzame aardmetalen, met name neodymium. Deze magneten zijn nodig om bij lage toerentallen voldoende koppel te genereren zonder buitensporig grote motoren. De winning en verwerking van deze zeldzame aardmetalen is geconcentreerd in een beperkt aantal landen, wat zorgen oplevert over leveringszekerheid en milieu-impact. Daarnaast zijn direct-drive motoren voor hoog koppel bij laag toerental vaak fysiek groter en zwaarder dan een combinatie van een kleinere, snel draaiende motor met een tandwielkast, wat een afweging in ontwerp blijft.
Wie werken eraan?
Op het gebied van windenergie zijn Enercon (Duitsland) en Siemens Gamesa (met Duitse en Spaanse wortels, onderdeel van Siemens Energy) de bekendste namen met commerciële direct-drive turbines. Ook GE Renewable Energy ontwikkelt grootschalige offshore turbines, al verschillen de precieze aandrijfconcepten van model tot model.
In de automobielsector springt YASA, nu onderdeel van Mercedes-Benz, eruit met zijn axial-flux technologie, terwijl Protean Electric zich specifiek richt op in-wiel motoren.
Op onderzoeksgebied speelt TU Delft in Nederland een rol in windenergie-onderzoek, inclusief aandrijftechnologie voor turbines. In Duitsland dragen diverse Fraunhofer-instituten bij aan onderzoek naar elektrische aandrijfsystemen, en in Denemarken richt DTU Wind Energy zich op windturbinetechnologie in brede zin. Denemarken en Duitsland gelden al langere tijd als voorlopers in windenergie-onderzoek en -industrie, mede dankzij vroege overheidsinvesteringen in deze sector.