Sähkömoottorityypit

Sähkömoottori on sähköenergiaa liike-energiaksi muuttava laite. Sähkömoottorin toiminta perustuu sähköisiin magneetteihin, jotka voidaan kytkeä päälle ja pois. Sähkömoottori sisältää kaksi perusosaa, akselin mukana pyörivän roottorin ja paikallaan pysyvän staattorin. Sähköinen magneettikenttä voidaan saada aikaan staattorissa tai roottorissa. Vastaparina voidaan käyttää toista sähkömagneettia tai kestomagneettia.

Sähköauton moottori vaatii tarkan ohjauksen, jotta moottorin kiihdytys- ja jarrutusmomentin säätö toimisi riittävän nopeasti ja sulavasti. Autoissa sähkömoottoreita käsketään yleensä taajuusmuuttajalla, joka muuttaa akuista saatavan tasavirran sopivaksi tasa- tai vaihtovirraksi.

Sähköautoissa käytettävät sähkömoottorit toimivat yleensä myös generaattoreina, kun niitä pyöritetään jarrutustilanteessa auton liike-energian voimalla, jolloin saadaan aikaan hidastava momentti ja samalla tuotetaan sähköenergiaa.

Sähkömoottorin mitoituksen perusteena on jatkuvan käytön nimellismomentti. Hetkellisesti moottori kestää nimellismomenttia suurempaa kuormitusta. Rajoittavia tekijöitä ovat moottorin maksimimomentti ja lämmönsietokyky. Tähän puolestaan vaikuttaa se, miten moottori on jäähdytetty. Ilmajäähdytys on yksinkertainen, mutta ei toimi pienillä kierrosnopeuksilla niin tehokkaasti kuin nestejäähdytys.

Yleisimmät sähkömoottorityypit

Tasavirtamoottori toimii nimensä mukaisesti tasavirralla. Tasavirtamoottoreissa muuttuva sähkökenttä roottorissa saadaan aikaan vaihtamalla magneettien napaisuutta kommutaattorin eli sähkövirran suunnankääntäjän avulla. Tasavirtamoottoreita on sekä harjallisia että harjattomia.

Harjallisissa tasavirtamoottoreissa napaisuuden vaihto tapahtuu mekaanisesti kommutaattorin harjojen avulla. Harjat ovat kuluvia osia, mikä lisää moottorin huoltotarvetta. Kommutaattorin harjat valmistetaan yleensä hiilestä tai metallista. Hiiliharjoja käytettäessä moottorin sisään syntyy hiilipölyä, mikä pitää saada puhallettua pois, jotta moottori ei tukkeudu.

Harjattomissa tasavirtamoottoreissa roottori on kestomagnetoitu ja kommutaattori toimii sähköisesti, minkä ansiosta kuluminen ja huoltotarve on vähäistä. Moottorista tulee kuitenkin monimutkaisempi, koska harjaton DC-moottori tarvitsee ohjauselektroniikan, joka tuntee muun muassa roottorin asennon tarkasti.

Tasavirtamoottorin staattorissa voidaan käyttää roottorin tapaan sähkömagneetteja tai kestomagneetteja. Tasavirtamoottoreita on käytetty paljon vanhemmissa sähköautoissa lähinnä kustannussyistä, mutta nykyään vaihtovirralla toimivat moottorit ovat yleisempiä.

Tahtimoottori eli synkronimoottori on vaihtovirralla toimiva sähkömoottori, joka pyörii täsmälleen vaihtovirran taajuuden ja koneen napaluvun määräämässä tahdissa. Tahtimoottoreiden hyötysuhde on yleensä muutaman prosentin parempi kuin induktiomoottoreiden, mikä tarkoittaa myös pienempiä lämpöhäviöitä. Tahtimoottoreita kutsutaan myös vierasmagnetoiduiksi moottoreiksi, koska roottori magnetoidaan johtamalla magnetointivirta erillisestä piiristä suoraan roottorin käämitykselle.

Vierasmagnetoituja tahtimoottoreita käytetään silloin, kun tarvitaan suurta tehoa ja vääntömomenttia.

Oikosulkumoottori toimii vaihtovirralla, joka muodostaa staattoriin roottorin ympärillä pyörivän magneettikentän. Kenttä aiheuttaa induktiolla roottorin käämeihin virran, jolloin magnetoitunut roottori pyrkii seuraamaan staattorin pyörivää magneettivuota ja saa aikaan roottorin pyörimisliikkeen. Induktion hyödyntämisen takia oikosulkumoottoria kutsutaan myös induktiomoottoriksi. Nimitys oikosulkumoottori puolestaan tulee siitä, että roottorin navat ovat oikosuljettuja keskenään. Oikosulkumoottorissa syntyy energiahäviöitä, koska roottorin magnetointivirta otetaan pyörimisliikkeestä ja se pyörii hieman jäljessä vaihtovirran synnyttämään magneettikentän pyörimisnopeuteen verrattuna. Tämän vuoksi oikosulkumoottoria kutsutaan myös epätahtimoottoriksi.

Kestomagneettitahtimoottorin roottorissa on kestomagneetit, jotka magnetoivat koneen. Magneetit voidaan asentaa joko roottorin pintaan liimaamalla tai upottamalla ne roottorilaminoinnin sisään. Kestomagneettimoottoreiden hyötysuhde on yleensä parempi kuin induktiomoottoreiden, sillä niiden roottorissa ei tapahdu juuri lainkaan häviöitä. Kestomagneettimoottorin vääntömomentti säilyy hyvänä myös mentäessä pienille pyörimisnopeuksille, eikä sen yhteyteen ei välttämättä tarvita alennusvaihteistoa. Tämän takia kestomagneettitahtimoottorit ovat yleisiä sähköautoissa, rakenteesta saadaan kevyempi ja yksinkertaisempi ilman vaihteistoa. Suurissa nopeuksia kestomagneettimoottoreiden käyttöä rajoittaa magneettien roottorissa kiinni pysyminen.

Sähkömoottori autoissa

Ajo-olosuhteet vaihtelevat vuodenaikojen mukaan paljon, mikä asettaa sähkömoottorin suojaukselle korkeat vaatimukset. Moottorin sisäpuolen pitää olla hyvin suojattu pölyltä ja kosteudelta luotettavan toiminnan takaamiseksi. Myös moottorin toimintalämpötila täytyy pitää riittävän matalana laakeri- ja materiaalivaurioiden estämiseksi. Autokäyttöön ilmajäähdytystä sopivampi on nestejäähdytys.

Sähköturvallisuus on tärkeä tekijä ajoneuvon käytössä, huolloissa ja törmäystilanteissa. Sähkömoottorin kytkennät tulee pitää suojattuna siten, että jännite ei pääse johtumaan auton koriin, matkustajiin tai huoltohenkilöstöön missään tilanteessa. Huoltohenkilöstöllä tulee olla riittävä koulutus ja tieto siitä, miten auton sähköjärjestelmä saadaan turvallisesti purettua jännitteettömäksi. Sähköautojen moottorin huoltotarve on tosin paljon pienempi kuin polttomoottoriautossa, sillä useimmat sähkömoottorityypit ovat täysin huoltovapaita.

Sähkömoottori on kooltaan polttomoottoria pienempi ja kevyempi, minkä ansiosta auton tiloja voidaan hyödyntää vapaammin. Sähkömoottorissa on ainoastaan pyöriviä osia, joten sen melun ja värinän eristäminen muusta korirakenteesta on polttomoottoria helpompaa.

Sähköinen voimalinja antaa mahdollisuuksia vapaampaan alustan suunnitteluun, sillä samaan autoon voidaan asentaa yhden ison moottorin sijasta jokaiseen pyörään pienemmät moottorit pyörännapoihin, jolloin auton vetotapaa voidaan muuttaa vapaasti. Napamoottoreilla voidaan myös toteuttaa entistä helpommin elektroninen ajonhallintajärjestelmä, koska silloin voidaan käyttää sekä jarrutus- että kiihdytysmomenttia jokaisella pyörällä. Sähkömoottorien yleistyminen tekeekin tulevaisuuden autoissa mahdolliseksi monet toiminnot, joita ei ole voitu polttomoottorin kanssa toteuttaa.