Nykyaikaisten täyssähköautojen sähkömoottorit ovat rakenteeltaan polttomoottoreita huomattavasti yksinkertaisempia, mutta niiden hyödyt ovat moninaiset. Tervetuloa tutustumaan sähkömoottoreiden toimintaan ja niiden mielenkiintoisiin yksityiskohtiin.
Sähkömoottoreiden historia on arviolta yhtä pitkä kuin polttomoottoreiden. Ehkä yllättävä tieto on, että autoilun alussa oli jopa aika, jolloin sähkömoottori oli yleisin voimanlähde. Sähkömoottori onkin ollut jo kauan hyvin tunnettu auton osa, joka jatkaa edelleen kehittymistään. Sähkömoottorin tekninen perusperiaate ei kuitenkaan ole juuri muuttunut.
Sähkömoottori on erittäin tehokas ja taloudellinen ja päihittää tässä suhteessa polttomoottorit. Kun nykyisten polttomoottoreiden hyötysuhde yltää parhaimmillaan noin 40 prosenttiin, sähkömoottorit yltävät helposti kaksi kertaa parempaan. Siten sähkömoottori pystyy optimaalisesti hyödyntämään auton käyttöön vaadittavan energian.
Sähkömoottorin rakenne vasemmalta oikealle: invertteri, moottorin kotelo, roottori, staattori, laakerikilpi ja jäähdytysvaippa, vaihteisto ja tasauspyörästö sekä vaihteiston kotelo.
Yksinkertainen rakenne
Sähkömoottoreiden hyvä hyötysuhde perustuu niiden toiminnan ohjaukseen. Sähkömoottorityyppejä on useita erilaisia, mutta niiden toimintaperiaate on hyvin samankaltainen. Sähkömoottorissa on staattori eli liikkumaton osa, ja roottori, joka pyöriessään saa aikaan moottorilta halutun voiman. Staattori on yleensä sähkömoottorin ulompi osa ja roottori sisempi. Roottori saadaan pyörimään sähkön kulun synnyttämän sähkömagneettisen kentän napaisuutta vaihtelemalla.
Kuva halkileikatusta auton sähkömoottorista.
Nykyisissä sähköautoissa käytetään yleensä kahta erilaista sähkömoottorityyppiä. Koska niillä kummallakin on omat etunsa, niitä käytetään eri syistä. Tyypit ovat synkroninen ja asynkroninen. Näistä jälkimmäinen käyttää aina vaihtovirtaa (AC) tehon tuottamiseen, joten sähköautossa tarvitaan invertteri, koska ajoakusta saadaan tasavirtaa (DC).
Kummankin tyypin sähkömoottoreita käytetään Enyaqissa ja Elroqissa. "MEB-perustekniikan takavetoisessa sähköautossa on synkroninen kestomagneettimoottori taka-akselilla. Nelivetoisessa autossa on lisänä asynkroninen moottori etuakselilla", Oldřich Vyziblo sähkömoottoreiden ja alustojen kehitysosastolta kertoo.
Syy siihen, miksi käytetään erityyppisiä moottoreita, on yksinkertainen. Synkroninen kestomagneettimoottori pystyy yleensä parempaan taloudellisuuteen laajalla kierroslukualueella. Asynkroninen moottori on ihanteellinen huipputehon ja taloudellisuuden suhteen.
Teknisesti tarkasteltuna näiden moottorityyppien erona on, että synkronisessa sähkömoottorissa roottorin kierrosluku on sama kuin staattorin sähkökentän kiertoaika ja että moottorissa käytetään kestomagneetteja MEB-perustekniikan autoissa. Asynkronisessa sähkömoottorissa roottorin kierrosluku on alhaisempi eikä siinä käytetä kestomagneetteja. Tällaisen moottorin häviöt ovat minimaaliset – moottori ei lisää auton sähkönkulutusta silloin, kun sitä ei käytetä ajovoiman tuottamiseen.
Sähkömoottorin toimintaperiaate. Kuvassa on synkroninen kestomagneettimoottori: staattori, roottori, kestomagneetit ja käämit.
Käyttäjälle helppo
"Käyttäjän näkökulmasta katsottuna sähkömoottoreilla on monia etuja. Ne tuottavat vääntöä ja voimaa tasaisesti ja pystyvät antamaan maksimivääntöä pienillä kierrosluvuilla. Polttomoottoreiden lailla ne sietävät suurtakin kuormitusta. Merkittävä ero on, ettei sähkömoottori tarvitse huoltoa auton käyttöiän aikana", Vyziblon kollega Jiří Šlechta sähkömoottoreiden ja alustojen kehitysosastolta kertoo.
Sähköisestä voimalinjasta seuraa sähköauton käyttäjälle myös muita selviä etuja ja hyötyjä. Matkustusmukavuus paranee, kun autossa ei ole keskitunnelia ja lattia on tasainen. Se on mahdollista, koska autossa ei tarvita pakoputkistoa tai kardaaniakselia, koska sähkömoottori on asennettu vetävälle akselille; nelivetoisessa autossa kummallakin akselilla on oma sähkömoottorinsa. Myös voimansiirto moottorilta pyörille vaatii paljon vähemmän tilaa.
"MEB-perustekniikan sähköautoissa on yksivälityksinen vaihteisto", Oldřich Vyziblo muistuttaa.
Enyaqin kuljettaja valitsee jarrutusenergian talteenottotehon ohjauspyörässä olevilla säätimillä.
Yksi sähkömoottoreiden käytännön eduista on rekuperaatio eli jarrutusenergian talteenotto. Sähköauton moottori voi toimia generaattorina auton nopeutta hidastettaessa. Se vähentää auton jarrujen kulumista, mutta sillä myös saadaan kerättyä energiaa auton ajoakkuun.
Huolellisesti suunniteltuna sähkömoottorit voivat olla rakenteeltaan ympäristövastuullisia. Esimerkiksi alumiiniseoksista valmistettujen osien materiaali voidaan kierrättää uusien osien tekemiseen. Myös moottoreiden käämien kupari on kierrätettävissä.
Robotti asettaa sähköauton ajoakuston paikalleen.
Yksi autojen sähkömoottoreiden kehitystyön nykyisistä tavoitteista on vähentää synkronisten sähkömoottoreiden jalometallipinnoitteisten kestomagneettien käyttöä. Esimerkki tällaisesta toteutuksesta on sähkömoottori, jossa kalliit kestomagneetit on korvattu staattorin käämien kaltaisilla kuparikäämeillä.
Tämäntyyppistä moottoria käytetään yleensä teollisuudessa. Sen käyttöä autoissa puoltaa mainio hinnan ja tehon suhde. Haittapuolena on suurempi koko, ja se vaatii myös tehoelektroniikalta enemmän.
"Tavoitteena on vähentää harvinaisten arvometallien käyttöä kestomagneeteissa tai luopua niistä jopa kokonaan", Jiří Šlechta toteaa.
