Sähköisten ajoneuvojen teknologiaa on viety jo vuosia kohti moottoreita, joihin ei tarvita kestomagneetteja. Nyt LUT-yliopistossa on kehitetty magneetiton sähkömoottori, jonka suorituskyvyssä on mahdollista päästä lähelle kestomagneettimoottoreita. Uusi synkronireluktanssimoottorin rakenne on kehitetty LUTin konedynamiikan professori Jussi Sopasen johtamassa projektissa.
”Kestomagnetoitu sähkömoottori on ollut tähän mennessä parhaiten soveltuva vaihtoehto sähköisiin ajoneuvoihin, koska sen avulla autoon saadaan suurempi tehotiheys ja korkea hyötysuhde. Magneetiton moottori on kuitenkin tunnistettu Euroopassa kaikilla tasoilla merkittäväksi kehityskohteeksi, jos haluamme jatkaa sähköistymistä”, LUTin sähköisen liikenteen professori Lassi Aarniovuori kertoo.
Sähköistyminen nimittäin kasvattaa kestomagneettien tarvetta myös muualla kuin autoilussa. Niitä tarvitaan esimerkiksi tuulivoiman ja laivojen generaattoreissa, jotka molemmat vaativat autojen moottoreihin verrattuna huomattavasti suurempia määriä magneettista materiaalia. Samalla magneetittomat moottorit eivät niiden kohdalla ole yhtä realistinen vaihtoehto kuin ajoneuvoissa.
”Kun kaikki sähköistyy samaan aikaan ja kaikkialla tarvittaisiin kestomagneetteja, raaka-aineet eivät yksinkertaisesti riitä”, Aarniovuori selittää.
Miksi sähkömoottoreiden kestomagneeteista halutaan eroon?
Kestomagneettien pääasiallinen raaka-aine on neodyymi, joka kuuluu harvinaisiin maametalleihin. Tällä hetkellä harvinaisten maametallien maailmankauppaa hallitsee Kiina, joka on säännöstellyt niiden saatavuutta omaksi hyödykseen.
Jotta EU voi turvata harvinaisten maametallien ja muiden tärkeiden raaka-aineiden saatavuuden, se on laatinut säädöksen kriittisistä raaka-aineista, joka tähtää saatavuuden parantamiseen EU:n sisällä ja EU:n strategisen riippumattomuuden vahvistamiseen.
Vaikka EU saavuttaisi edes osittaisen omavaraisuuden, on edessä toinen ongelma. Harvinaisten maametallien louhiminen on usein hankalaa, sillä niiden pitoisuudet kallioperässä ovat pieniä ja esiintymät hajallaan. Myös kestomagneettien kierrättäminen on monimutkaista, sillä metallien erotteleminen moottorista pitää tehdä käsityönä.
”Käytännössä magneetit pitää tuhota ja rakentaa uudelleen”, Aarniovuori kertoo.
Magneetittomista moottoreista tullee myös autoissa valtavirtaa
Magneetiton sähkömoottori ei sellaisenaan ole uusi asia. Niitä on käytetty esimerkiksi kodinkoneissa jo pitkään. Ajoneuvokäytössä ne ovat kuitenkin vielä marginaalissa.
Autovalmistajista BMW ja Renault käyttävät sähköautoissaan magneetitonta moottoria, mutta esimerkiksi Tesla, Mercedes Benz sekä kiinalaiset ja japanilaiset valmistajat luottavat pääasiassa kestomagneetteihin. Vuonna 2024 kaikissa sähköajoneuvoissa käytetyistä moottoreista peräti 83 prosenttia perustui kestomagneetteihin.
Aarniovuori ja Sopanen uskovat, että pitkässä juoksussa magneetittomat moottorit korvaavat kestomagnetoidut ajoneuvokäytössä lähes kokonaan.
”Uskoisin, että esimerkiksi autoteollisuus pyrkii kehittämään tuotantokustannuksiltaan mahdollisimman edullisia ratkaisuja, joihin ei liity saatavuusriskejä. Magneetittomat moottorit täyttävät nämä kriteerit. Kestomagneetit voivat jäädä käyttöön korkeintaan urheiluautoihin, joissa moottorin huipputeholle on tarvetta”, Aarniovuori toteaa.
LUTin kehittämä sähkömoottori sai merkittävän apurahan
Reluktanssimoottoreita, joihin myös LUTin kehittämä synkronireluktanssimoottori lukeutuu, on käytetty aiemmin pienemmillä tehoilla sekä teollisuudessa että kodinkoneissa. Niiden mekaaniset kannakset eivät kuitenkaan ole tähän mennessä kestäneet sähköajoneuvojen vaatimaa pyörimisnopeutta. LUTissa moottorista kehitettiin bridgeless-versio, jossa kannaksia ei periaatteessa ole ollenkaan.
”Testien perusteella moottorissa on paremmat ominaisuudet kuin muissa vastaavissa ja se on kestävämpi. Tällä hetkellä moottorista on olemassa proof-of-concept-kone, jonka suorituskyky vaikuttaa hyvältä. Suurin haaste on tehdä valmistusprosessi tarpeeksi kustannustehokkaaksi, jotta se soveltuu sarjatuotantoon”, Jussi Sopanen kertoo.
Itse asiassa moottori on arvioitu niin potentiaaliseksi, että sen jatkotutkimusprojekti sai joulukuussa 2025 Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiön jakamista apurahoista suurimman, 635 000 euroa. Rahoitus mahdollistaa moottorin uuden prototyypin rakentamisen ja sen testaamisen Oulun yliopiston Sisu-tutkimuskuorma-autossa.
Curious People -uutiskirje kertoo ratkaisuista, joilla autamme yhteiskuntaa, teollisuutta ja liiketoimintaa uudistumaan sekä raivaamme tietä energiasiirtymässä ja luonnonvarojen kestävässä käytössä.
Tulevaisuudessa tarvitaan erilaisia magneetittomia moottoriteknologioita
Vaikka synkronireluktanssimoottori vaikuttaa hyvin potentiaaliselta, eivät magneetittomat moottorit ikinä yllä kestomagnetisoitujen ominaisuuksiin. Tämä johtuu fysiikan laeista.
Sähkömoottorit vaativat magneettikentän luodakseen vääntömomentin. Kestomagneettimoottoreissa magneettikenttä tulee ikään kuin ilmaiseksi, siinä missä magneetittomat moottorit vaativat energiaa sen luomiseen. Siksi kestomagneettimoottorien huipputeho on tyypillisesti korkea.
”Lopulta kyse on kuitenkin sähkömoottorin optimaalisista ominaisuuksista. Suurin osa kuskeista ei tarvitse ajoneuvonsa huipputehoa ikinä. Kestomagneettimoottorien tyypillinen ajoteho ei ole sama asia kuin huipputeho”, Sopanen kertoo.
Suurin osa kuskeista ei tarvitse ajoneuvonsa huipputehoa ikinä.
Auton tyypillinen ajoteho todentuu ajosykleissä eli auton käyttökerroissa. Kestomagnetoidun ja magneetittoman moottorin erot riippuvatkin lopulta siitä, mitä verrataan. Esimerkiksi ajoneuvon toimintamatkassa magneetiton moottori hävinnee kestomagnetoidulle vain 1–2 prosenttia.
Kestomagneeteista luopuminen ei kuitenkaan tarkoita yhden, tietyn sähkömoottoriteknologian voittoa. Eri teknologioita käytetään luultavasti rintarinnan.
”Myös raskas liikenne ja teollisuus sähköistyvät. Yhteenvetona voisikin todeta, että tarvetta on erityyppisille koneille ja niiden sovelluksille ja siksi tarvitsemme myös tutkimusta”, Sopanen sanoo.
Lisätietoja:
Jussi Sopanen
