Sähköautoilun ABC: Sähkömoottoreissa on eroja

Polttomoottoreihin verrattuna sähkömoottori on käyttäjän kannalta lähes näkymätön ja äänetön työntekijä.

Sähköauton perusidea ei polttomoottoriautosta poikkea: kone muuntaa auton kyytiin varastoitua energiaa hallitusti mekaaniseksi liikkeeksi.

Energiavarastona toimii polttoainesäiliön sijaan akku, energiaa työksi muuntava kone on polttomoottorin sijaan sähkömoottori ja näitä hallitaan moottorinohjauksen (tai kaasuttimen ja virranjakajan) sijaan tehoelektroniikalla.

Sähkömoottorien rakenne

Moderneissa ajoneuvoissa käytetään taajuusmuuttajalla ohjattuja vaihtosähkömoottoreita, tyypillisesti induktio- tai kestomagneettimoottoreita. Autonvalmistajat valitsevat sähkömoottorinsa tarpeiden mukaan: kyse on tasapainoilusta muun muassa tehon ja taloudellisuuden välillä.

Sähkömoottorin idea on yksinkertainen. Roottori – siis pyörivä akseli – on varustettu magneeteilla. Akselin pyörimään saava vääntömomentti luodaan staattorilla – eli moottorin kuorilla – luomalla pyörivä magneettikenttä, jota roottorin magneetit pyrkivät seuraamaan.

Induktiomoottori

Induktio- eli oikosulkumoottorissa roottori koostuu oikosuljetusta häkkikäämistä. Kun staattori luo pyörivän magneettikentän, indusoituu roottorin käämille virta ja sen myötä syntyy magneettikenttä. Tämä magneettikenttä lähtee seuraamaan staattorin pyörivää magneettikenttää, eli sähkömoottorin akseli alkaa pyöriä.

Induktiomoottoria kutsutaan joskus myös asynkronimoottoriksi, sillä roottori pyörii epätahdissa staattoriin nähden.

Induktio- eli oikosulkumoottorin patentoi muuten Tesla – ei se autonvalmistaja, vaan sille nimensä antanut Nikolai Tesla, vuosina 1856–1943 elänyt serbialais-yhdysvaltalainen fyysikko ja sähkönero.

Kestomagneettimoottori

Nimen mukaisesti kestomagneettimoottorin roottori on varustettu magneeteilla. Rakenne tarjoaa hyvän hyötysuhteen, muttei kestä induktiomoottorin tavoin hetkellistä ylikuormitusta, sillä suuri lämpökuorma voi poistaa kestomagneettien magneettisuuden.

Kestomagneettimoottori ei myöskään salli vapaata rullausta, ellei staattorin magneettikenttää pyöritetä mukana. Induktiomoottorissa tätä ongelmaa ei ole.

Sivutoimisesti generaattori

Oikeastaan sähkömoottorien sijaan kuuluisi puhua sähkökoneista, sillä moottorit kykenevät toimimaan toisin päin generaattoreina, eli muuntamaan liikettä takaisin sähköksi. Näin moottorijarrutuksella auton liike-energiaa

Sähkökoneiden suoritusarvot poikkeavat melkoisesti polttomoottoreista. Esimerkiksi kahta induktiokonetta käyttävä Audi E-tron yltää hetkellisesti 300 kilowatin huipputehoon, mutta pidemmällä kuormituksella teho laskee 100 kilowattiin. Tieliikenteessä tämä ei juuri aiheuta rajoitteita.

Teho, vääntö ja nopeus

Sähkömoottorin vääntökäyrä poikkeaa paljon polttomoottoreista. Tunnetuin ero on tietysti sähkömoottorin valtavan laaja toiminta-alue, joka ulottuu liikkeellelähdöstä moottoritievauhteihin.

Matalilla pyörintänopeuksilla sähkömoottorin vääntömomentti on vakio. Tällä pyörintänopeusalueella myös moottorin hyötysuhde on parhaimmillaan.

Pyörintänopeuden kasvaessa sähkömoottorin magneettikentän häviöt alkavat heikentää vääntömomenttia. Tällöin moottori tuottaa vakiotehon – teho kun riippuu vääntömomentin ja pyörintänopeuden suhteesta.

Vaikka sähkömoottori alkaa hyytyä pyörintänopeuden kasvaessa, tulevat lähes kaikki sähköautot toimeen ilman moninopeuksista vaihteistoa. Nelivetoisissa autoissa etu- ja taka-akselien sähkömoottorit voidaan myös varustaa erilaisin välityksin, jolloin toinen vastaa rajusta kiihtyvyydestä ja toinen energiatehokkuudesta matkavauhdissa.

Tehoelektroniikan tehtävänä on ohjata sähkömoottoria: taajuusmuuttaja muuntaa akun tasasähköä sähkömoottorin vaihtosähköksi kuljettajan toiveiden eli kaasupolkimen mukaan.

Teksti: Lauri Ahtiainen Kuvituskuva: Moottorin arkisto