VAASAN YLIOPISTO         

TEKNIIKAN JA INNOVAATIOJOHTAMISEN YKSIKKÖ 

SÄHKÖTEKNIIKKA 

 

 

 

 

Lauri Kujala 

OIKOSULKUMOOTTORIN ALUMIINISEN STAATTORIKÄÄMITYKSEN 

KEHITTÄMINEN 

 

 

 

Diplomityö, joka on jätetty tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten 

Vaasassa 25.5.2020 

 

Työn valvoja Professori Timo Vekara 

Työn ohjaaja DI Tero Känsäkangas 

Työn tarkastaja Dosentti Jere Kolehmainen 



 2 

ALKULAUSE 

Tämä diplomi-insinöörin tutkintoa varten tehty työ on aikaansaannokseni ABB oy:n Mo-

tors and Generators -yksikön tutkimus- ja tuotekehitysosastolle Vaasassa. 

Kiitän erityisesti ohjaajaani DI Tero Känsäkangasta siitä tuesta ja positiivisesta kannus-

tuksesta jota sain tämän mielenkiintoisen aiheen parissa. Lisäksi haluan kiittää kaikkia 

niitä Vaasan moottoritehtaan toimihenkilöitä ja työntekijöitä, jotka olivat mukana tässä 

projektissani ja edesauttoivat sen valmistumista jopa sen aikana kehittyneen koronavirus-

pandemian aikana. Suuret kiitokset myös professori Timo Vekaralle laadukkaasta val-

vonnasta työn aikana sekä dosentti Jere Kolehmaiselle työn tarkastuksesta. 

Valmistuessani olen saanut työskennellä Vaasan ABB:llä yhtäjaksoisesti jo viisi vuotta. 

Olen kiitollinen tästä koulutuksen ja työkokemuksen kokonaisuudesta, jonka Vaasan yli-

opisto sekä ABB ovat yhteistoiminnallaan mahdollistaneet. Haluan kiittää myös perhet-

täni sekä minulle tärkeimpiä läheisiä, jotka omalta osaltaan ovat tukeneet ja tulevat jat-

kossakin tukemaan minua läpi elämän. 

 

Vaasassa 25.5.2020 

Lauri Kujala



 3 

SISÄLLYSLUETTELO          sivu 

ALKULAUSE 2 

SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO 5 

TIIVISTELMÄ 8 

ABSTRACT 9 

1 JOHDANTO 10 

2 OIKOSULKUMOOTTORI 13 

2.1 Rakenne ja toiminta 13 

2.1.1 Aktiivi- ja passiiviosat 14 

2.1.2 Johdinmateriaalit 17 

2.1.3 Sähkömagneettinen induktio 18 

2.2 Häviöt ja hyötysuhde 21 

2.2.1 Staattorihäviöt 22 

2.2.2 Roottorihäviöt 27 

2.2.3 Hyötysuhteen määrittäminen 30 

2.2.4 Eurooppalaiset hyötysuhdenormit 31 

2.3 Ympäristövaikutukset 32 

2.3.1 Materiaalien alkuperä 32 

2.3.2 Materiaalien tuotanto ja hiilijalanjälki 35 

2.3.3 Materiaalien kierrätettävyys 40 

2.3.4 Elinkaariarviointi 41 

3 STAATTORIKÄÄMITYS ALUMIINIJOHTIMELLA 42 

3.1 Symmetrinen kolmivaiheinen urakäämitys 42 

3.2 Staattoriura ja sen eristeet 45 



 4 

3.3 Alumiinikääminnän tuotekehitys Vaasassa 46 

3.4 Uppokyllästetyn jatkoliitoksen lämpövanhennuskoe 47 

3.5 Staattorikäämityksen materiaalikustannukset 54 

4 STAATTORIN URAMUODON OPTIMOINTI 56 

4.1 Optimoinnissa käytetyt laskentaohjelmat 56 

4.2 Lähtötilanteen tunnistaminen 57 

4.3 Optimoinnin toteutus 58 

4.4 Valmistettavien prototyyppien sähköiset laskelmat 64 

5 PROTOTYYPPIEN VALMISTUS JA TESTAUS 66 

5.1 Prototyyppien valmistus 66 

5.2 Prototyyppien valmistuksen havainnot 69 

5.3 Prototyyppien testitulokset 72 

5.3.1 Vakiorakenteinen prototyyppi 72 

5.3.2 Optimoitu prototyyppi 73 

6 JOHTOPÄÄTÖKSET 75 

6.1 Tulosten tarkastelu 75 

6.1.1 Alumiinikäämityksen laadukkuus 78 

6.1.2 Laskelmien ja testitulosten vertailu 80 

6.1.3 Alumiinikäämityksen kannattavuus 81 

6.2 Tulevaisuudennäkymät 81 

7 YHTEENVETO 83 

LÄHDELUETTELO 86 

LIITTEET 91 



 5 

SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO 

Kreikkalaiset symbolit 

η hyötysuhde 

σc johdinmateriaalin johtavuus 

Φ magneettivuo 

Muut symbolit 

a rinnakkaisten käämilankojen määrä staattoriurassa 

B magneettivuon tiheys 

BR remanenssivuon tiheys 

BS kyllästysvuon tiheys 

d sähkölevyn  paksuus 

E sähkökentän voimakkuus 

F kappaleeseen kohdistuva voima 

f taajuus 

fr roottorivirran taajuus 

H magneettikentän voimakkuus 

Hc koersitiivivoima 

I sähkövirran voimakkuus 

I0 oikosulkumoottorin tyhjäkäyntivirta 

J virrantiheys materiaalissa 

kθ lämpötilan korjauskerroin 

l staattoripaketin pituus 

lav käämikierroksen keskimääräinen pituus 

lc käämijohtimen pituus 

 



 6 

N käämikierrosten lukumäärä 

n pyörimisnopeus 

ns synkroninopeus 

p napapariluku 

PCu,r roottorin virtalämpöhäviöt 

PCu,s staattorin kuparihäviöt 

Pexc staattorin lisähäviöt 

PFe rautahäviöt 

PFe,r roottorin rautahäviöt 

PFe,s staattorin rautahäviöt 

Pfr,tot kitka- ja tuuletushäviöt 

Pfw korjatut kitka- ja tuuletushäviöt 

Ph hystereesihäviöt 

Pin ottoteho 

PLL lisähäviöt 

Pout antoteho 

Pp pyörrevirtahäviöt 

Ps staattorihäviöt 

PT kokonaishäviöt 

Pδ ilmaväliteho 

RDC resistanssi tasavirralla 

s jättämä 

Sc johtimen poikkipinta-ala 

t aika 

V tilavuus 



 7 

W kahden staattoriuran perifeerinen etäisyys 

Wh magnetointi- ja demagnetointisyklin energia 

Lyhenteet 

3TG konfliktimineraalien ryhmä (Tin, Tantalum, Tungsten, Gold) 

ADEPT Advanced Electrical Dimensioning Tool, ABB:n las-

kentaohjelma sähkömoottoreille ja -generaattoreille 

FEM Finite Element Method, elementtimenetelmä 

ICA International Copper Association, kuparin kestävää käyttöä 

edistävä kansainvälinen yhdistys 

ICSG International Copper Study Group, kuparia tuottavien ja käyt-

tävien maiden hallitustenvälinen järjestö 

IEA International Energy Agency, kansainvälinen energiajärjestö 

IEC International Electrotechnical Commission, kansainvälinen 

sähköalan standardointiorganisaatio 

LCA Life Cycle Analysis, elinkaariarviointi 

OECD Organisation for Economic Co-operation and Development, ta-

loudellisen yhteistyön ja kehityksen järjestö 

REACH Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Che-

micals, Euroopan unionin asetus kemikaalirekisteröinnistä, ke-

mikaalien arvioinnista, lupamenettelyistä sekä rajoituksista 

RMI Responsible Minerals Initiative, vastuullisen mineraalien han-

kinnan toimintaa edistävä järjestö 

RoHS Restriction of the use of certain Hazardous Substances in elect-

rical and electronic equipment, Euroopan unionin säännös, jolla 

rajoitetaan tiettyjen haitallisten aineiden käyttöä sähkö- ja 

elektroniikkalaitteissa 

RSN Responsible Sourcing Network, kaivostoiminnan ihmisoikeuk-

sia puolustava järjestö 

SX-EW Solvent extraction and electrowinning, kaksivaiheinen hydro-

metallurginen prosessi 



 8 

VAASAN YLIOPISTO 

Tekniikan ja innovaatiojohtamisen yksikkö 

Tekijä: Lauri Kujala 

Diplomityön nimi: Oikosulkumoottorin alumiinisen staattorikäämityk-

sen kehittäminen 

Valvoja: Professori Timo Vekara 

Ohjaaja: DI Tero Känsäkangas 

Tarkastaja: Dosentti Jere Kolehmainen 

Tutkinto: Diplomi-insinööri 

Koulutusohjelma: Energia- ja informaatiotekniikan ohjelma 

Suunta: Sähkötekniikka 

Opintojen aloitusvuosi: 2014  

Diplomityön valmistumisvuosi: 2020 Sivumäärä: 105 

TIIVISTELMÄ 

Tässä työssä on tutkittu yleisesti käytetyn kuparikäämityksen korvaamista edullisem-

malla alumiinikäämityksellä hyötysuhdedirektiivien mukaisissa rajoissa oikosulkumoot-

torin kustannustehokkuuden parantamiseksi. Alumiinin noin 40 prosenttia huonompi säh-

könjohtavuus kupariin verrattuna sekä alumiinin pinnalle muodostuva resistiivinen oksi-

dikerros luovat alumiinisen staattorikäämityksen kehittämiselle kuitenkin haasteelliset 

olosuhteet. 

Tutkimuksen tavoitteena oli löytää ABB oy:n Motors and Generators -yksikölle mahdol-

lisimman kustannus- ja energiatehokas alumiinikäämillinen ratkaisu. Työssä tutkittiin tar-

kemmin 45 kW:n kaksinapaista oikosulkumoottoria. Tutkimusongelmaa lähestyttiin jul-

kaistujen tutkimusten, sähkömagneettisen teorian sekä simulointilaskelmien avulla. 

Työssä esitetään myös kuparin ja alumiinin ympäristövaikutuksia. 

Tutkimusta varten valmistettiin kaksi alumiinikäämillistä prototyyppimoottoria, joista 

ensimmäisen staattori tehtiin tuotannon vakiolla staattoriuralla ja käämilankamäärällä. 

Toisen prototyypin staattori valmistettin tässä työssä laskennallisesti optimoidulla staat-

toriuralla, mikä mahdollisti suuremman käämilankamäärän urassa. Tällä pyrittiin kasvat-

tamaan oikosulkumoottorin hyötysuhdetta vakioon rakenteeseen verrattuna. Lisäksi 

työssä tutkittiin uppokyllästettyjen käämivyyhtien sähköisten liitosten ikääntymistä läm-

pövanhennuskokeiden avulla. Tuloksena löydettiin prototyyppimoottorien alumiinikää-

mityksille sopivat kytkentämenetelmät. 

Työn tuloksena saavutettiin molemmilla prototyyppimoottoreilla IE3-hyötysuhdeluokka, 

joista optimoidulla rakenteella hyötysuhde oli 0,28 prosenttiyksikköä parempi. Testitu-

losten ja työn muun tarkastelun perusteella voidaan todeta alumiinikäämityksen olevan 

tuotannollisesti täysin toteutettavissa. Myös alumiinikäämityn oikosulkumoottorin välit-

tömien kustannusten todettiin olevan tässä tapauksessa noin 20 prosenttia pienemmät va-

kiorakenteiseen kuparikäämilliseen rakenteeseen verrattuna. 

AVAINSANAT: Oikosulkumoottori, staattori, alumiini, käämi, hyötysuhde 



 9 

UNIVERSITY OF VAASA  

School of Technology and Innovations 

Author:  Lauri Kujala 

Topic of the Thesis:  Development of aluminum stator winding for induc-

tion motor 

Supervisor:  Professor Timo Vekara 

Instructor:  M.Sc. Tero Känsäkangas 

Evaluator: Docent Jere Kolehmainen 

Degree:  Master of Science in Technology 

Degree Programme: Degree Programme in Energy and Information 

Technology 

Major:  Electrical Engineering 

Year of Entering the University:  2014  

Year of Completing the Thesis:  2020 Pages: 105 

ABSTRACT 

In this thesis the replacement of commonly used copper winding with a less expensive 

aluminum winding is investigated, within the limits of the efficiency directives to im-

prove the cost-efficiency of the induction motor. However, the approximately 40 percent-

age lower electrical conductivity of aluminum compared to copper, as well as the resistive 

oxide layer formed on the surface of aluminum, create difficult conditions for the devel-

opment of aluminum-wound stator. 

The target of this thesis was to find the most cost-efficient and energy-efficient alumi-

num-wound stator solution for ABB Ltd Motors and Generators business unit. The  

45 kW two-pole induction motor was studied in more detail. The research problem was 

approached by means of published studies, electromagnetic theory and simulation calcu-

lations. The work also presents the environmental effects of copper and aluminum. 

Two prototype motors with aluminum windings were manufactured for this thesis. The 

stator of the first prototype was made with a standard stator slot and winding wires. The 

stator of the second prototype was manufactured with a stator slot computationally opti-

mized in this work, which allowed larger winding volume in the slot. The aim of this was 

to increase the efficiency of the induction motor. In addition, aging of the electrical con-

nections of impregnated windings was investigated by means of thermal aging tests. As 

a result, suitable coupling methods for aluminum-wound prototype motors were found. 

As a result of the work, the IE3 efficiency class was achieved with both prototypes, of 

which the optimized design had 0,28 percentage points better efficiency. Based on the 

test results and other examination of the work, it is obvious to conclude that the aluminum 

winding is completely feasible to use in induction motor production. The direct costs of 

the aluminum-wound induction motor was also found to be about 20 percent lower in this 

case compared to standard copper-wound structure. 

KEYWORDS: Induction motor, stator, aluminum, winding, efficiency 



 10 

1 JOHDANTO 

Perinteisten hyötysuhdevaatimusten lisäksi kustannustehokkaan tuotteen valmistus on 

yksi monista alueista, johon sähkömoottorien suunnittelussa keskitytään yhä enemmän. 

Sähkömoottorin staattori- ja roottoripakettien valmistuksessa yleisesti käytetyt aktiivima-

teriaalit eli kupari ja sähkölevy ovat tärkeässä roolissa sähkömoottorin valmistuskustan-

nuksissa. Oikosulkumoottoreissa, joiden osuus kaikista maailman sähkömoottoreista on 

noin 90 %, kallein näistä materiaaleista kiloa kohden on kupari. Oikosulkumoottori ei 

kuitenkaan vaadi toimiakseen kuparilangalla käämittyä staattoria, vaan käämintämateri-

aalina voidaan käyttää myös muita materiaaleja, kuten alumiinia. On kuitenkin tärkeää, 

että käämimateriaalin vaihto ei huononna sähkömoottorin laatua tai energiatehokkuutta. 

Taloudellisesta näkökulmasta hyötysuhdevaatimukset tulee täyttää mahdollisimman kus-

tannustehokkaalla ratkaisulla, jossa sähkömoottorin rakenne ja täten myös hinta ovat 

suunnitellusti optimoitu kilpailukykyiseksi kokonaisuudeksi. Tässä työssä tutkittiin alu-

miinikäämityksen mahdollisuuksia pienjännitemoottorien kustannustehokkuuden paran-

tamiseksi hyötysuhdedirektiivien mukaisissa rajoissa. Alumiinin hinta ja runsaus tekevät 

siitä houkuttelevan vaihtoehdon kuparille. Alumiinin etuina kupariin verrattuna ovat alu-

miinin noin kolme kertaa edullisempi puhdas kilohinta, noin kolme kertaa pienempi ti-

heys sekä helpompi kierrätettävyys alhaisemman sulamispisteen ansiosta. Alumiinin 

käyttöön liittyvät haasteet staattorikäämityksessä kupariin verrattuna ovat alumiinin kaksi 

kolmasosaa pienempi johtavuus sekä alumiinijohtimen sähköisen kytkennän toteutus. 

Alumiinin käyttö sähköjohtimen materiaalina ei ole uusi asia. Jo vuonna 1945 alumii-

nijohtimet hyväksyttiin sisätilojen johdotustarkoituksiin edellyttäen, että ne asennettiin 

oikein. Tämä ei kuitenkaan toteutunut kaikissa tapauksissa, sillä lähes kaikki ilmoitetut 

ongelmat koskivat johdinliitoksia, joissa asentajat eivät olleet noudattaneet asennusoh-

jeita (Rius Rueda 2017: 24). Alumiinijohtimella tämä aiheuttaa liitosten oksidoitumista, 

lämpenemistä sekä mekaanista löystymistä. Oksidoitumisella tarkoitetaan alumiinin ke-

miallista reaktiota hapen kanssa, jossa alumiinin pinnalle syntyy eristeenä toimiva oksi-

dikerros. Sähköisesti liitetyt kaksi eri metallia muodostavat myös galvaanisen parin, jossa 

vähemmän jalosta metallista tulee elektrolyyttisen tapahtuman anodi, jolloin se syöpyy. 



 11 

Alumiini on oikein käytettynä hyvä johdinmateriaali sähkömoottorin käämitykseen. Alu-

miinia on käytettykin jo 1970-luvulla sähkömoottorien kääminnässä, ABB:n (ASEA 

Brown Boveri) edeltäjän ASEA:n (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget) toimesta, 

mutta tuolloin jouduttiin vaihtamaan johdinmateriaali kupariin tiukentuneiden hyötysuh-

devaatimusten takia (ABB 2019a: 1). Nykyään kuitenkin laskentatehokkuus ja -metodit 

ovat kehittyneet siihen pisteeseen, että sähkömoottorin ominaisuuksia voidaan optimoida 

varsin tarkasti haluttujen toleranssien sisäpuolelle. Huomioonotettavia tekijöitä alumii-

nikäämitystä suunniteltaessa ovat johtavuus, liitännät sekä terminen lämpökapasiteetti. 

Tutkimuksen tavoitteena on optimoida laskennallisesti yksittäinen sellainen tuotannolli-

sesti mahdollinen energia- ja kustannustehokas käämitysratkaisu, jossa käytetään alumii-

nikäämitystä. Prototyyppi valmistetaan ja testataan ABB Motors and Generators -tuotan-

toyksikössä Vaasassa. Laskenta ja optimointi toteutetaan ABB:n omalla Adept-ohjelmis-

tolla (Advanced Electrical Dimensioning Tool), joka on kehitetty sähkömoottorien ja  

-generaattorien suunnittelua varten. Se perustuu elementtimenetelmään (Finite Element 

Method, FEM), jolla voidaan tarkastella lukuisia laskutoimituksia siedettävässä ajassa. 

Optimoinnin tarkoituksena on havannoida tekijät, jotka vaikuttavat alumiinisen staattori-

käämityksen toimintaan ja muokata staattorin uramuotoa ja käämirakennetta siten, että 

lopputulos on mahdollisimman energia- ja kustannustehokas. Energiatehokkuuteen tie-

detään tutkitusti vaikuttavan staattoriuran koko ja sen täytekerroin sekä johtimen poikki-

pinta-ala (Iorgulescu 2016; Ayat, Wrobel, Baker & Drury 2017). 

Jotta optimoidulle käämitysrakenteelle saadaan vertailukohde, tuotetaan myös toinen pro-

totyyppi, jossa käämitysrakenne on toteutettu olemassa olevalla uramuodolla. Jo valmiina 

oleva uramuoto helpottaisi valmistusprosessia ja vähentäisi uuden moottorityypin valmis-

tuskustannuksia. Kokonaisuudessaan tämä edistäisi niin ajallisesti kuin kustannukselli-

sestikin tehokasta tuotantoa. Työhön sisältyvien alumiinikäämillisten moottorien valmis-

tus aloitetaan vasta laskelmien valmistuttua, jolloin moottorien lopullinen rakenne on tie-

dossa. Valmistettavien prototyyppien tarkemmat tuotetiedot on esitettynä liitteissä 1 ja 2. 

Myös moottorien valmistuksen vaiheita seurataan aineiston ja havaintojen keräämistä 

varten. Prototyypeille suoritetaan standardin IEC60034-2-1 (Rotating electrical machines 

– Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests) mukainen 



 12 

hyötysuhdetesti, josta nähdään optimoinnin lopputulos ja tutkimuksesta saadaan täten 

luotua yhtenäinen kokonaisuus 

Tämä työn jakautuu seitsemään osaan, joista ensimmäinen on tämä johdanto. Seuraavassa 

luvussa käsitellään oikosulkumoottorin rakennetta ja toimintaa, sekä alumiinijohtimen 

ominaisuuksia ja sen käytön vaikutuksia oikosulkumoottorissa. Lisäksi luvussa kaksi ver-

taillaan kuparin ja alumiinin ympäristövaikutuksia. Luvussa kolme käsitellään tarkemmin 

staattorin käämintämenetelmiä ja alumiinikääminnän vaikutusta sen toimintaan ja kus-

tannuksiin. Tässä luvussa tuodaan esille myös tutkimuksen aikana esille nousseita lisä-

tutkimuskohteita, joiden arveltiin vaikuttavan alumiinikäämintään. Neljännessa luvussa 

käsitellään optimoinnin menetelmiä, työkaluja ja tuloksia, joita on käytetty tämän tutki-

muksen päätavoitteena olevan prototyypin valmistukseen. Viidennessä luvussa siirrytään 

prototyyppien valmistuksen aikaisiin vaiheisiin ja käydään läpi näille suoritettujen hyö-

tysuhdetestien lopputulokset. Luvuissa 6 ja 7 käydään lopuksi läpi työn johtopäätökset 

sekä yhteenveto. 



 13 

2 OIKOSULKUMOOTTORI 

Kolmivaiheisen oikosulkumoottorin toiminta perustuu käämitykseen johdetun vaihtovir-

ran muodostamaan pyörivään magneettikenttään. Käämitys muodostuu useasta sähkö-

magneetista, jotka saadaan aikaiseksi kiertämällä eristettyä sähköjohtoa rautaisten sydän-

ten ympärille. Staattorin lisäksi oikosulkumoottori vaatii myös toisen magnetisoituvan 

osan eli roottorin, joka pyörii moottorin napapariluvusta p, syöttötaajuudesta f sekä moot-

torin suhteellisesta jättämästä s riippuvalla moottorin mekaanisella pyörimisnopeudella n 

𝑛 = 60 ∙
𝑓(1−𝑠)

𝑝
. (1) 

Tässä luvussa käydään tarkemmin läpi oikosulkumoottorin rakenne ja toiminta, sekä tar-

kastellaan sen ympäristövaikutuksia ja miten tähän voidaan vaikuttaa materiaalien valin-

nalla. 

2.1 Rakenne ja toiminta 

Pyörivän magneettikentän muodostuminen kolmivaiheisessa sähkömoottorissa edellyttää 

suunnitellusti rakennettua käämitystä sekä staattorissa että roottorissa. Staattorissa kää-

mitys on toteutettu eristetyllä sähköjohtimella, jonka materiaalina tässä työssä käytetään 

kuparista poiketen alumiinia. Roottorin käämitys voidaan toteuttaa joko yhtäläisellä joh-

dinten kääminnällä tai yleisemmällä painevalumenetelmällä. Tämän tutkielman painottu-

essa staattorin käämityksen optimointiin, tullaan oikosulkumoottorille yleisintä staattorin 

käämintämenetelmää käymään läpi alaluvussa 3.1. Myös oikosulkumoottorin mekaani-

sen rakenteen on oltava huippuunsa suunniteltu, jotta sähkömoottoria voidaan käyttää 

turvallisesti myös vaativissa olosuhteissa. Alumiinia on käytetty jo vuosikymmeniä myös 

runkomateriaalina ABB:n oikosulkumoottoreissa, mikä pienentää huomattavasti mootto-

rin kokonaispainoa. Kuvassa 1 on esitettynä läpileikkaus tämän tutkimuksen kohteena 

olevan valurautarunkoisen M3BP 225SMA 2 -moottorin rakenteesta sivusta kuvattuna. 



 14 

 

Kuva 1. Läpileikkauskuva työssä tutkitun M3BP 225SMA -moottorin rakenteesta. 

Yleisesti kenties ajatellaan, että sähköiset laitteet, joissa on käytetty alumiinijohdinta ku-

parijohtimen sijaan, ovat kooltaan suurempia. Vaikka tässäkin tapauksessa tulee alumii-

nijohtimen tilavuus olla suurempi kuin vastaavan kuparijohtimen yhtäläisen hyötysuh-

teen saavuttamiseksi, tulee moottorien ulkoisten mittojen kuitenkin olla samat. Tällä väl-

tetään tuotteen muutoskustannukset ja helpotetaan tuotantoprosessia. 

2.1.1 Aktiivi- ja passiiviosat 

Sähkömoottorin aktiiviosiin kuuluvat staattori ja roottori. Niiden paketit valmistetaan la-

tomalla kuvan 2 mukaisia laminoituja sähkölevyjä päällekkäin. Akselin suuntaisesti la-

dotut sähkölevyt vastustavat akselin suuntaisesti kulkevia virtoja ja näin ollen vaimenta-

vat pyörrevirtoja (Pyrhönen, Jokinen & Hrabovcová 2014: 189). Pinottu staattoripaketti 

puristetaan ja lukitaan mittaansa, jonka jälkeen se on valmis käämintään. Kääminnässä 

staattoriuriin asennetaan eristeet sekä käämivyyhdit. Erilliset lisälaitteet, kuten lämmitys-

vastukset, asennetaan myös kääminnässä, ennen kuin staattoripaketti kyllästetään hart-

silla. Hartsi kovetetaan lämmittämällä staattoripaketti käämeineen erillisessä uunissa. 



 15 

 

Kuva 2. Symmetrinen puolikas kaksinapaisen M3BP 225SMA -moottorin staattori- ja 

roottoripakettien sähkölevyistä. 

Hartsikyllästys lisää staattorikäämityksen mekaanista lujuutta, lämmönjohtavuutta sekä 

kosteudensietoa. Roottoripaketin käämitys eli sauvat valmistetaan yleisimmin painevala-

malla alumiini roottoriuriin. Paketin päihin muodostuu painevalun yhteydessä oikosulku-

renkaat, jotka muodostavat yhdessä sauvojen kanssa sylinterinmuotoisen niin sanotun 

oravanpyörän eli häkkikäämityksen. Lopuksi roottoripaketin sisälle puristetaan akseli ja 

se sorvataan sekä tasapainotetaan. 

Staattorin ja roottorin sähkölevyt on yleisimmin valmistettu seosaineksesta, joka sisältää 

rautaa ja piitä. Näistä rauta kuuluu ferromagneettisiin materiaaleihin. Puhtaisiin materi-

aaleihin verrattuna seosainesten resistiivisyys yleisesti kasvaa. Pii ja alumiini ovat resis-

tiivisyyden kasvuun parhaiten vaikuttavimmat materiaalit kun niitä sekoitetaan raudan 

kanssa. Pii tekee seosmateriaalista kuitenkin helposti hyvin haurasta ja tästä syystä sen 

osuus seosmateriaalissa on suurimmillaan noin 6 prosenttia (Pyrhönen ym. 2014: 191). 

Resistiivisyyden merkitys sähkölevyssä tuodaan esille myöhemmin sähkömoottorin hys-

tereesi- ja lisähäviöitä määriteltäessä. 

 



 16 

Tutustumalla ferromagneettisiin materiaaleihin saadaan tarkempi näkemys sähkölevyn 

toiminnasta magneettikentän vaikuttaessa siihen. Ferromagneettisissa materiaaleissa on 

kuvan 3 mukaisia alkeismagneetteja, jotka tunnetaan myös Weissin alueina (Pyrhönen 

ym. 2014: 186). Vaikka Weissin alueet ovat magneettisesti kyllästyneitä, ei kappale silti 

ole välttämättä magnetoitunut. Kappale sisältää useita Weissin alueita, joten erisuuntai-

sesti magnetoituneet Weissin alueet kumoavat kappaleen magnetoitumisen. Weissin alu-

eita rajaavat Blochin seinämät, joiden paksuus vaihtelee muutaman sadan ja tuhannen 

atomivälin välillä (Pyrhönen ym. 2014: 186). Kun ferromagneettista materiaalia magne-

toidaan muuttuvalla magneettikentällä, syntyy Weissin alueiden välisestä kitkasta tutki-

muksen kannalta tärkeitä lämpöhäviöitä. 

 

Kuva 3. Weissin alueiden muodostuminen magneettikentän voimakkuuden mukaan. 

Passiiviosat kuten sähkömoottorin runko, kilvet, laakerointiosat, tuuletin ja liitäntäkotelo 

ovat mekaanisesti tarpeellisia osia sähkömoottorin toimintaa ajatellen, mutta sähköisesti 

ne eivät vaikuta sähkömoottorin perustoimintaan. Eristetyillä laakereilla voidaan kuiten-

kin estää esimerkiksi taajuusmuuttajakäytössä syntyviä oikosulkumoottorin laakerivir-

toja. Staattoriuraa suurennettaessa on myös huomioitava että liian ohut staattorin selkä 

voi aiheuttaa vuon tunkeutumisen staattorirunkoon ja täten aiheuttaa lisähäviöitä. 

 



 17 

Alumiinijohtimen käyttö staattorin käämintämateriaalina ei vaikuta passiiviosien toimin-

taan tai valintaan. Passiiviosat halutaan myös pitää vakioina johdinmateriaalista riippu-

matta lisäkustannuksien välttämiseksi. Aktiiviosiinkaan alumiinijohtimen valinta ei suu-

resti vaikuta, mutta vaikuttavimpana tekijänä on alumiinin resistiivisyys. Alumiinin re-

sistiivisyyden ollessa kuparia suurempi, tulee alumiinijohtimella käämityssä staatto-

riurassa olla suurempi volyymi johtavaa materiaalia. Tästä johtuen staattoriuran muotoa 

ja kokoa tullaan optimoimaan tässä työssä sellaiseksi, että alumiinijohtimella käämitty 

moottori muuntaisi sähköenergiaa mekaaniseksi energiaksi yhtä hyvällä hyötysuhteella 

kuin kuparijohtimella käämitty vastaavan kokoluokan oikosulkumoottori. 

2.1.2 Johdinmateriaalit 

Alumiini- ja kuparijohtimia on valmistettu useaan eri käyttötarkoitukseen ja niiden seos-

materiaalien avulla johdinmateriaalin ominaisuuksia voidaan muokata. Seostamisella 

muutetaan aineen kemiallista koostumusta, joka tässä tapauksessa prototyypissä käyte-

tylle alumiinijohtimelle tarkoittaa 99,7 prosentin alumiinipitoisuutta. Tarkat tuotetiedot 

prototyypissä käytetystä alumiinijohtimesta löytyy liitteestä 4. On tärkeää tietää käytettä-

vän johtimen sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet, jotta laskelmien tulokset vastaisivat 

mahdollisimman tarkasti todellisuutta. Adeptiin määritetyt johdinmateriaalien ominai-

suudet kuparille ja alumiinille on esitetty taulukossa 1. 

Taulukko 1. Adept-laskentaohjelmaan määritetyt ominaisarvot kupari- ja alumiinijoh-

timille. 

Ma-

teri-

aali 

Säh-

könjoh-

tavuus 

(S/m) 

Sähkön-

johtavuu-

den lämpö-

tilakerroin 

(K) 

Massa-

tiheys 

(kg/m3) 

Ominais-

lämpöka-

pasiteetti 

(J/K∙kg) 

Lämmön-

johtavuus 

(W/Km) 

Kim-

moker-

roin 

(GPa) 

Liuku-

ker-

roin 

(GPa) 

Läm-

pölaaje-

nemis-

kerroin 

(1/K) 

Cu 57∙106 255 8910 380 393 119 45 1,7∙10-5 

Al 32∙106 250 2700 900 203 65 25 2,4∙10-5 

 



 18 

Sähkönjohtavuus kuvastaa, miten materiaali johtaa sähkövirtaa. Alumiinin sähkönjohta-

vuus on vain noin 56 prosenttia kuparin arvosta, jonka takia tulisi alumiinijohdinta olla 

staattorikäämityksessä enemmän kuparikäämitykseen verrattuna, jotta saavutettaisiin yh-

tälaiset resistiiviset häviöt. Jo tässä vaiheessa voidaan huomata, että Adeptiin määritetty 

alumiinijohtimen sähkönjohtavuus eroaa johtimen valmistajan ilmoittamasta johtavuu-

desta 35,5∙106 (liite 4). Metalleilla sähkönjohtavuus pienenee lämpötilan kasvaessa. Tätä 

ominaisuutta kuvastaa sähkönjohtavuuden lämpötilakerroin. Massatiheys puolestaan ker-

too, että alumiinijohtimella on vain 30 prosenttia siitä massasta, mitä kuparijohtimella on 

vastaavaa tilavuutta kohden. Tämän ansiosta voidaan alumiinikäämillä vähentää staatto-

rikäämityksen painoa lähes samassa suhteessa, jolloin moottorin kokonaispaino voi pie-

nentyä pien- ja keskisuurten sähkömoottorien kokoluokassa jopa useita kymmeniä kiloja. 

Alumiinin suuremman ominaislämpökapasiteetin ansiosta alumiini pystyy luovuttamaan 

ja vastaanottamaan suuremman lämpöenergiamäärän lämpötilaeroa ja massaa kohden 

kuin kupari. Myös pienemmän lämmönjohtavuutensa takia alumiini johtaa huonommin 

lämpöä. Kuitenkin staattoriuran tilavuudessa alumiinin massa on paljon pienempi kuin 

kuparin, jolloin alumiini lämpenee herkemmin kuin kupari. Elastiset kertoimet kuvaavat 

materiaalin kykyä vastustaa sitä muokkaavia voimia. Tällaisia ovat materiaalin jäyk-

kyyttä kuvaava kimmokerroin ja leikkausvoiman vastustuskykyä kuvaava liukukerroin. 

Lämpölaajenemiskerroin kuvaa aineen lämpölaajenemista lämpötilan muuttuessa. Alu-

miinin korkeampi lämpölaajenemiskerroin hankaloittaa kytkennän pysyvyyttä, sillä läm-

pötilojen muuttuessa alumiinin tilamuutokset ovat suuremmat kuin kuparilla. Tällöin 

huonosti liitetystä alumiinilankojen vyyhdistä voi ajan kuluessa jonkun johtimen koske-

tuspinta irrota ja näin ollen kytkentä huononee. 

2.1.3 Sähkömagneettinen induktio 

Työssä tutkittavan kolmivaiheisen oikosulkumoottorin toiminta perustuu staattorin johti-

miin johdetun kolmivaihevirran tuottamaan pyörivään magneettikenttään, joka indusoi 

roottorin häkkikäämitykseen jännitteen Faradayn induktiolain (kaava 2) mukaisesti. 

Roottorin suljetussa häkkikäämityksessä indusoitunut jännite saa roottorissa aikaan root-



 19 

torivirran, joka muodostaa roottoriin magneettiset navat. Nämä puolestaan vuorovaiku-

tuksessa muuttuvan magneettikentän kanssa pyrkivät seuraamaan magneettikentän lii-

kettä ja saavat näin roottorin pyörimään. Oikosulkumoottorin rakenne on todettu varsin 

yksinkertaisesti toteutettavaksi ratkaisuksi, joka soveltuu kestävästi ja edullisesti moneen 

käyttökohteeseen. Tästä johtuen oikosulkumoottori onkin tunnetusti yleisin teollisuu-

dessa käytettävä pyörivä sähkökone. 

Faradayn induktiolain mukaan staattorin käämitykseen johdettu vaihtovirta saa siis ai-

kaiseksi ajan t mukaan muuttuvan ilmavälin läpi kulkevan magneettivuon Φ, joka syn-

nyttää ympärilleen sitä kiertävän sähkökentän voimakkuuden E 

∮ 𝑬 ∙ d𝒍
 

𝑙
= −

d

dt
∫ 𝑩 ∙ d𝑺

 

𝑆
= −

d𝛷

d𝑡
, (2) 

missä B on magneettivuon tiheys tasopinnan S eli ilmavälin läpi, jonka ympäryysmitta 

on l. Negatiivinen merkki Faradayn induktiolaissa on erittäin tärkeä, sillä se kertoo Lenzin 

lain mukaisesti indusoituneen virran suunnan, joka vastustaa alkuperäistä muuttuvaa 

magneettikenttää, joka sen tuotti. Sähkökentänvoimakkuus voidaan kuvata potentiaa-

lierona eli jännitteenä, joka suljetussa roottorin häkkikäämityksessä saa aikaiseksi edellä 

mainitun roottorivirran ja roottorin magnetoitumisen. Sähkömoottorien suunnittelussa 

oletetaan yleisesti magneettivuon tiheyden olevan kohtisuorassa tutkittavaan alaan suh-

teutettuna (Pyrhönen ym. 2014: 15). Tällöin magneettivuon ollessa pintaintegraali mag-

neettivuon tiheydestä, voidaan magneettivuolle yksinkertaisimmillaan kirjoittaa 

𝛷 = ∫ 𝐵 ∙ d𝑆. (3) 

Magneettivuon tiheys B muuttuu ajan mukaan, mutta myös sen keskiarvo muuttuu paik-

kakohtaisesti ajasta riippumatta. Magneettivuon tiheyttä on tärkeää tutkia jo sähkömoot-

torin suunnitteluvaiheessa, sillä liian suuret magneettikentät aiheuttavat aktiivimateriaa-

lien kyllästymistä. On myös hyvä havannoida jo tässä vaiheessa, että staattoriurien muo-

dot, joita työssä optimoidaan, vaikuttavat vuoviivojen kulkureitteihin sekä seuraavassa 

alaluvussa läpikäytävän hajavuon syntymiseen. 



 20 

Arkkion (1987: 7) väitöskirjan mukaisesti sähkökoneen suunnittelu perustuu magneetti-

kentän tuntemiseen moottorin sisällä. Sähkökoneen magneettipiirin suunnittelu taas pe-

rustuu Pyrhösen ja muiden (2014: 12) mukaan Ampèren lakiin, joka kvasistaattisessa 

muodossaan 

∮ 𝑯 ∙ d𝒍
 

𝑙
= ∫ 𝑱 ∙ d𝑺

 

𝑆
= 𝑖(𝑡) (4) 

kuvaa sitä, miten magneettikentän voimakkuuden H viivaintegraali suljetun silmukan l 

yli on yhtä suuri kuin kokonaisvirta i, joka magneettikentän synnytti, missä J on virran-

tiheys pinnalla S. Tämä pinta on yhden käämivyyhdin poikkipinta-ala, johon vaikuttavat 

käämin kierrosmäärä N sekä johtimen pinta-ala Sc. Kvasistaattisessa ilmiössä taajuus f on 

siirrosvirran kannalta tarpeeksi matala. Sähkökoneissa tämä vaatimus toteutuu, sillä mer-

kittäviä siirrosvirtoja esiintyy käytännössä vasta radiotaajuuksilla (Aho 2007: 32). 

Roottorisauvoihin indusoituu sähköisiä varauksia, jotka muodostavat roottorin magnetoi-

van roottorivirran. Magneetti- ja sähkökentän vaikutuksesta roottorisauvoihin kohdistuu 

Lorentzin voimalain mukaisesti suoran ja kiinteän johtimen tapauksessa voima 

𝑭 = 𝐼𝒍 × 𝑩, (5) 

missä l on johtimen pituutta kuvaava vektori, jonka suunta on linjassa roottorisauvaa pit-

kin kulkevan sähkövirran I kanssa. 

Staattorin johdinmateriaalin vaihto kuparista alumiiniin ei vaikuta sähkömagneettisen in-

duktion syntyyn, vaan moottori tuottaa yhtäläisen vääntömomentin johdinmateriaalista 

riippumatta. Ilman staattoriuran optimointia ovat staattorin resistiiviset häviöt alumii-

nijohtimella toki huomattavasti suuremmat ja moottori lämpenee huomattavasti kupari-

johdollista moottoria enemmän, kun moottoreita kuormitetaan yhtäläisellä nimelliste-

holla. Tällöin myös roottoriin vaikuttava ilmaväliteho on pienempi ja jättämä suurempi. 

Tästä johtuen sama uramuoto ei välttämättä sovellu sellaisenaan sekä kupari- ja alumii-

nilangalle, vaan optimointia tulee tehdä. 



 21 

2.2 Häviöt ja hyötysuhde 

Oikosulkumoottorin hyötysuhteeseen vaikuttavat sen aktiivimateriaaleissa tapahtuvat 

sähköiset häviöt sekä mekaanisesti liikkuvissa osissa tapahtuvat mekaaniset häviöt. Ko-

konaishäviöt voidaan jakaa eri häviökokonaisuuksiin tarkastelutavasta riippuen. 

IEC60034-2-1 (IEC 2014a: 9–12) standardissa todetaan oikosulkumoottorin kokonais-

häviöiden koostuvan jatkuvista häviöistä, kuormasta riippuvista häviöistä sekä lisähävi-

öistä. Näissä jatkuviin häviöihin luetaan kitka-, tuuletus- ja rautahäviöt, kuormasta riip-

puviin staattori- ja roottorikäämeissä tapahtuvat häviöt sekä lisähäviöihin kuormitusvir-

rasta aiheutuvat harmoniset häviöt aktiivimateriaaleissa. Kuvassa 4 on esitetty esimerkki 

45 kW:n oikosulkumoottorin häviöiden jakautumisesta kyseisillä häviöosuuksilla. 

 

Kuva 4. Häviöjakauma IEC60034-2-1 standardin mukaisilla häviökokonaisuuksilla 

2-napaiselle 45 kW:n oikosulkumoottorille, joka on testattu Vaasan ABB 

Motors and Generators -yksikössä vuonna 2019. 

Kuvasta 4 voidaan todeta, että staattorissa tapahtuvat häviöt ovat merkittävin häviöosuus 

oikosulkumoottorissa. Edelleen voidaan todeta, että tunnetusti sekä staattorissa että root-

torissa tapahtuvista rautahäviöistä suurin osa tapahtuu staattorissa. Staattorissa tapahtu-

vien häviöiden ollessa tämän tutkimuksen pääkohteena jaetaan työn selkeyttämiseksi hä-

viöt staattorissa ja roottorissa tapahtuviin häviöihin kuvan 5 mukaisesti. Tällöin työn op-

timoinnin tarkoituksia voidaan tarkentaa juurikin staattorissa tapahtuvien häviöiden mi-

nimoimiseen alumiinikäämillä. 



 22 

 

Kuva 5. Oikosulkumoottorin häviöjakauma (Aho 2007: 24). Kuvaa on muokattu. 

Kuvan 5 mukaisesti erkaantuu moottoriin syötetystä ottotehosta Pin ensimmäisenä staat-

torissa tapahtuvat häviöt eli kuparihäviöt PCu,s, rautahäviöt PFe,s ja lisähäviöt Pexc. Staat-

torihäviöiden jälkeen kulkeutuu kuormitustilanteessa pyörivän oikosulkumoottorin mag-

neettikentän ansiosta ilmaväliteho Pδ ilmavälin kautta roottoriin. Kaavion lopuksi rootto-

rin magnetoiduttua ja sähköisen energian muuttuessa mekaaniseksi voimaksi tapahtuu 

myös roottorissa virtalämpöhäviöitä PCu,r, rautahäviöitä PFe,r, sekä kitka- ja tuuletushävi-

öitä Pfr,tot. (Aho 2007: 24.) 

2.2.1 Staattorihäviöt 

Staattorissa tapahtuvat häviöt ovat kuvan 4 mukaisesti prosentuaalisesti suurin häviöko-

konaisuus oikosulkumoottorissa. Staattorihäviöt Ps muodostuvat kuvan 5 mukaisesti kol-

mesta elementistä 

𝑃s = 𝑃Cu,s + 𝑃Fe,s + 𝑃exc. (6) 

Näihin häviöihin vaikuttavat suunnitellusti rakennetussa oikosulkumoottorissa merkittä-

vimmin staattorin johdin- ja laminointimateriaalit sekä niiden paksuus. Johtimessa nämä 

tekijät vaikuttavat sen resistiivisyyteen sekä virrantiheyteen nimellisvirralla. Laminoin-

nissa nämä taas vaikuttavat staattorissa syntyviin hystereesi-, pyörrevirta- ja hajahäviöi-

hin. 

 

 



 23 

Staattorin kuparihäviöt PCu,s 

Staattorin kuparihäviöitä, joita nyt alumiinikäämityksen tilanteessa kutsutaan staattorin 

resistiivisiksi häviöiksi, syntyy aina staattorikäämityksessä, kun johtimissa kulkee sähkö-

virta. Useissa tapauksissa resistiiviset häviöt luovat dominoivan häviökomponentin säh-

kökoneelle ja varsinkin silloin kun siirrytään kuparijohtimesta alumiinijohtimeen (Pyrhö-

nen ym. 2014: 265). Alumiinin huonompi sähkönjohtavuus aiheuttaa staattorikäämityk-

selle suuremman resistiivisyyden, joka vastustaa virran kulkua johtimessa. 

Tutkimuksessa käytetään pyörölankakäämiä, jonka tapauksessa voidaan staattorivirran 

ollessa sinimuotoista olettaa virranahdon merkityn vähäiseksi (Aura ja Tonteri 2002: 

328). Tällöin staattorin resistiivisten häviöiden laskemisessa voidaan käyttää tasavirralla 

laskettua käämityksen resistanssia 

𝑅DC =
𝑙c

𝜎c∙𝑎∙𝑆c
, (7) 

missä lc on johtimen pituus käämissä, σc johdinmateriaalin johtavuus, a rinnakkaisten joh-

timien määrä ja Sc johtimen poikkipinta-ala. Täten staattorin resistiivisiksi häviöiksi saa-

daan 

𝑃Cu,s = 3 ∙ 𝑅DC ∙ 𝐼2. (8) 

Myös Pyrhösen ym. (2014: 525) mukaan hyötysuhdetta määritettäessä resistiiviset häviöt 

lasketaan käyttämällä käämityksen tasavirtaresistanssia. Täten voimme todeta, että kei-

noja resistiivisten häviöiden vähentämiseksi alumiinikäämityksellä, ovat yhtälön (7) mu-

kaisesti johtimen pituuden lyhentäminen tai paksuuden kasvattaminen, sekä rinnakkais-

ten johtimien määrän kasvattaminen. 

On kuitenkin edelleen huomioitava usean samassa staattoriurassa olevan yhdensuuntai-

sen johtimen vaikutus toisiinsa vaihtovirralla. Staattoriurassa on kymmeniä joskus jopa 

satoja johtimia, joissa kulkeva vaihtovirta luo ajan mukaan muuttuvan magneettikentän, 



 24 

joka indusoi kiertovirran johtimen sisälle. Tätä virran keskittymää kutsutaan keskinäis-

vaikutukseksi. Tämä ilmentymä kasvattaa johtimen vastusta ja täten myös staattorin re-

sistiivisiä häviöitä. (Huppunen 2004: 95). 

Staattorin rautahäviöt PFe,s 

Staattorin rautahäviöt koostuvat staattoriraudan hystereesi- ja pyörrevirtahäviöistä, jotka 

aiheutuvat muuttuvasta magneettivuosta. Näiden kahden häviötyypin osuudet rautahävi-

öistä ovat 50 Hz:n taajuudella vastaavasti noin 75 % ja 25 % (Pyrhönen ym. 2014: 200). 

Rautahäviöihin pystytään vaikuttamaan ferromagneettisten tai kestomagneettisten mate-

riaalien valinnalla, sekä niiden työstämisen laadukkuudella. 

Hystereesihäviö Ph aiheutuu ferromagneettisen materiaalin eli sähkölevyn Weissin aluei-

den magnetoitumisesta ja demagnetoitumisesta. Tätä magnetointiprosessia voidaan esit-

tää kuvan 6 mukaisesti viidellä eri osalla. 

 

Kuva 6. Sähkölevyn magnetoituminen hystereesisilmukan mukaan (Freitag 2017: 21). 

Kuvaa on muokattu. 



 25 

Aluksi kohdassa I materiaali on täysin demagnetoitunut ja olemassa olevat Weissin alueet 

kumoavat toisensa. Seuraavassa tilassa II sähkölevyyn kohdistetaan pieni magneettiken-

tän voimakkuus, jolloin kyseiseen suuntaan kohdistuneet Weissin alueet kasvavat ja muut 

pienenevät. Blochin seinämien ollessa edelleen entisellään, voidaan tästä edelleen palata 

kohtaan I ilman magneettikenttää, eikä hystereesiä täten synny. Kun magneettikentän voi-

makkuutta kasvatetaan entisestään kohtaan III, tapahtuu peruuttamaton Barkhausenin il-

miö, jossa Blochin seinämä poistuu pysyvästi. Näistä Weissin alueiden diskreeteistä muu-

toksista johtuen ferromagneettisen materiaalin magneettiset muutokset tapahtuvat kuvan 

6 mukaisesti hyppäyksittäin. Tässä kohtaa käyrää materiaalin magneettista käyttäyty-

mistä kuvaava permeabiliteetti on suurimmillaan. Siirryttäessä kohtaan IV, permeabili-

teetti pienenee ja Weissin alueet kiertyvät magneettikentän voimakkuuden vaikutuksesta 

yhä yhdensuuntaisemmiksi kentän kanssa. Jos magneettikentän voimakkuutta kasvate-

taan edelleen, saavutetaan kohdassa V materiaalin kyllästysvuon tiheyden BS määräämä 

materiaalin magneettinen kyllästyminen, jossa suhteellinen permeabiliteetti on yhtä kuin 

1. (Freitag 2017: 20–21). 

Vaihtovirran luoman muuttuvan magneettikentän ansiosta ferromagneettinen materiaali 

magnetoituu ja demagnetoituu jatkuvasti, luoden kuvan 6 mukaisen hystereesisilmukan. 

Hystereesisilmukan ja magneettivuon tiheyden akselin leikkauskohdalla magneettikentän 

voimakkuus on nolla, mutta materiaali pysyy magnetoituna remanenssivuon tiheyden BR 

takia. Jotta materiaali saadaan demagnetoitua, täytyy materiaaliin kohdistaa magneetti-

kentän voimakkuus HC, jota kutsutaan koersitiivivoimaksi. Koersiivisuus onkin ferro-

magneettisten materiaalien luokitteluun käytetty suure, joka mittaa materiaalin kykyä säi-

lyttää magneettisuutensa kun ulkoinen magneettikenttä poistetaan. Pienempi koersiivi-

suus tarkoittaa pienempiä hystereesihäviöitä, sillä hystereesisilmukan pinta-ala kertoo 

magnetointi- ja demagnetointisyklin suorittamiseen tarvitun energian Wh kappaleen tila-

vuudessa V 

𝑊h = 𝑉 ∮ 𝐻 ∙ d𝐵. (9) 

Tämä on verrannollinen syntyviin hystereesihäviöihin hystereesisilmukkaa kierrettävän 

taajuuden f kanssa. Pyrhösen ym. (2014: 197) mukaan kun hystereesisilmukan pinta-ala 



 26 

kuvaa esitettyä energiaa määritettyä tilavuutta kohden wh, saamme hystereesihäviöiksi 

tilavuudessa V 

𝑃h = 𝑓 ∙ 𝑉 ∙ 𝑤h. (10) 

Sähkömekaanisten sovellusten suunnittelussa, jotkut arvokkaimmista tiedoista materiaa-

lin magnetoitumisesta saadaan kyseisen materiaalin BH-käyrältä (Pyrhönen ym. 2014: 

189). Työssä käytetyn sähkölevyn BH-käyrä löytyy liitteestä 3. 

Magneettivuon jatkuva muuttuminen vaihtovirran takia aktiivimateriaaleissa indusoi jän-

nitteitä johtavaan sydänmateriaaliin eli sähkölevyyn. Tästä syntyy pyörrevirtoja, jotka 

pyrkivät vastustamaan magneettivuon muutosta. Vastustavat virrat aiheuttavat magneet-

tivuon muutoksissa häviöitä, jotka esiintyvät suurimmalta osin lämpönä. Tätä häviötä 

kutsutaan pyörrevirtahäviöiksi Pp. Pyörrevirtoja pystytään välttämään käyttämällä resis-

tiivistä materiaalia laminaarisen sydämen rakentamiseen kiinteän sydämen sijasta. Kui-

tenkin ohut sähkölevykin mahdollistaa silti pyörrevirtojen syntymisen magneettivuon 

muuttuessa, mutta tätä voidaan minimoida kasvattamalla sähkölevyn resistanssia esimer-

kiksi alaluvussa 2.2.1 esitetyllä piillä. Pyrhönen ym. (2014: 198–200) ovat johtaneet 

pyörrevirtahäviöille yhtälön 

𝑃p =
𝑉∙𝜋2∙𝑓2∙𝑑2∙𝐵̂2

6∙𝜌
, (11) 

missä V on materiaalin tilavuus, f taajuus, d sähkölevyn paksuus, 𝐵̂ magneettivuontihey-

den huippuarvo ja ρ materiaalin resistiivisyys. Todellisuudessa suoritetut testit piiteräksen 

pyörrevirtahäviöille ovat kuitenkin noin 50 prosenttia suuremmat kuin yhtälö 11 antaa 

tuloksena. Tämä johtuu piiteräksen kiteiden suuresta koosta. Yleisesti voidaankin sanoa, 

että kun kiteen suuruus materiaalissa kasvaa, niin myös pyörrevirtahäviöt materiaalissa 

kasvavat (Pyrhönen ym. 2014: 200). 

 

 



 27 

Staattorin lisähäviöt Pexc 

Lisähäviöt ovat häviöitä, jotka kuormitusvirta ja sen spatiaaliset harmoniat aiheuttavat 

sähkömoottorin käämityksessä, sähkölevyissä, rungossa tai muissa osissa joita ei oteta 

huomioon resistiivisiä häviöitä ja rautahäviöitä laskettaessa (Pyrhönen ym. 2014: 526). 

Vaikka lisähäviökomponentti on asetettu kuvassa 5 staattorin häviöksi, tapahtuu lisähä-

viöitä koko sähkömoottorissa. Lisähäviöön vaikuttavia komponentteja on useita ja niiden 

voidaan sanoa määriytyvän eniten juurikin ei-toivuttujen harmonisten tekijöiden, haja-

vuon syntymisen, virranahdon esiintymisen sekä magneettivuon tiheyden epäsäännölli-

sen jakautumisen takia. Yksi komponentti on myös aktiivimateriaalien alaluvussa 2.1.1 

esitetyn Blochin seinämien liike magneettivuon muutoksen johdosta. Toki myös tuotan-

non vaihtelussa syntyvät luonnolliset epäsymmetriat aiheuttavat moottorissa lisähäviöitä. 

Lisähäviöt lasketaan, kun sähkömoottorin hyötysuhde määritetään IEC60034-2-1 stan-

dardin epäsuoraa menetelmää käyttäen. Tällöin lisähäviöt määritellään graafisesti lineaa-

rista regressioanalyysia käyttäen. Lisähäviöt voidaan määrittää myös ilman testejä ja tun-

netusti lisähäviöt ovat suuruudeltaan 0,3–2 prosenttia sähkömoottoriin syötetystä sähkö-

tehosta. Joskus nämä voivat kylläkin nousta jopa viiteen prosenttiin (Pyrhönen ym. 2014: 

527). Yleisesti lisähäviöiden tiedetään kasvavan suhteessa kuormituksen suuruuteen. Pyr-

hönen ym. (2014: 527) ovat määrittäneet koko sähkömoottorin lisähäviöiden olevan 

suuhteellinen vaihevirran IS neliön ja tyhjäkäyntivirran I0 neliön erotukseen kerrottuna 

1,5 potenssiin korotetulla taajuudella yhtälön 12 mukaisesti 

𝑃LL~(𝐼s
2 − 𝐼0

2) ∙ 𝑓1,5. (12) 

2.2.2 Roottorihäviöt 

Roottorihäviöiden voidaan kuvan 4 mukaisesti sanoa koostuvan roottorikäämityksissä ta-

pahtuvista virtalämpöhäviöistä PCu,r, roottorin sähkölevyissä syntyvistä rautahäviöistä 

PFe,r, sekä laakerien, tuulettimen ja ilmavälissä olevan jäähdytysilman liikkeen aiheutta-

mista kitka- ja tuuletushäviöistä Pfr,tot. Myös roottorissa tapahtuu lisähäviöitä joita ei kui-



 28 

tenkaan edellä esitetysti lasketa mukaan näihin häviökokonaisuuksiin, vaan ne määritel-

lään standardin mukaisesti koko sähkömoottorille erikseen. Kuvan 5 mukaisesti, kun säh-

kömoottoriin syötetystä sähkötehosta Pin vähennetään staattorissa aiheutuneet häviökom-

ponentit Ps, saadaan tuloksena roottoriin vaikuttava ilmaväliteho Pδ 

𝑃𝛿 = 𝑃in − 𝑃s. (13) 

Roottorin virtalämpöhäviöt PCu,r 

Roottorin virtalämpöhäviöiden määrittelyssä ei voida käyttää roottorikäämityksessä kul-

kevaa virtaa, sillä sitä ei pystytä mittaamaan. Häviöt voidaan kuitenkin laskea edellä mää-

ritetyn ilmavälitehon ja oikosulkumoottorin jättämän s tulolla 

𝑃Cu,r = 𝑃𝛿 ∙ 𝑠, (14) 

missä jättämä kuvaa roottorin todellisen pyörimisnopeuden nr ja tämän mahdollistavan 

magneettivuon pyörimisen eli sykroninopeuden ns suhdetta 

𝑠 =
𝑛s−𝑛r

𝑛s
. (15) 

Roottorin rautahäviöt PFe,r 

Roottorin rautahäviöt koostuvat yhtälailla staattorissa tapahtuvien rautahäviöiden mukai-

sesti hystereesi- ja pyörrevirtahäviöistä. Edellä todetusti roottorissa tapahtuvat rautahä-

viöt ovat kuitenkin huomattavasti pienemmät kuin staattorissa tapahtuvat rautahäviöt. 

Tässä suurimpana vaikuttajana on roottorissa vaikuttavan taajuuden suuruus. Kuten 

edellä on jo todettu, ovat hystereesihäviöt verrannollisia taajuuteen ja pyörrevirtahäviöt 

taajuuden neliöön. Oikosulkumoottorin roottorisauvoissa johtuvan vaihtovirran taajuus fr 

on tunnetusti moottoriin syötetyn vaihtovirran taajuudeen f ja moottorin jättämän s tulo 

𝑓r = 𝑠 ∙ 𝑓. (16) 



 29 

Kuvassa 4 esitetyn 45 kW:n moottorin häviöjakaumaan käytetystä testistä saadaan sel-

ville, että kyseisen moottorin jättämä on ollut 0,97 prosenttia. Tällöin roottorivirran taa-

juus on ollut kyseisellä moottorilla 0,485 Hz. Alhaisesta taajuudesta johtuen roottorissa 

syntyvät rautahäviöt ovat siis varsin pieniä. Jättämä ei kuitenkaan aina ole näin pieni ja 

varsinkin pienempiin oikosulkumoottoreihin siirryttäessä jättämä ja täten myös roottorin 

rautahäviöt kasvavat verrannollisesti nimellistehoon suhteutettuna. 

Roottorissa tapahtuvat pyörrevirtahäviöt ovat suurimmillaan roottorin pinnalla. Tähän 

vaikuttaa oikosulkumoottorin ilmaväli, joka määrää roottoriin vaikuttavan magnetoimis-

virran suuruuden. Ilmavälissä kulkevan magneettivuon tasainen jakautuminen edellyttää 

suunnitellusti valmistettua staattori- ja roottoriuraa, sillä staattorin avonainen ura mah-

dollistaa hajavuon muodostumisen. Staattorin uralla ja ilmavälillä onkin siis suuri vaiku-

tus roottorissa syntyviin pyörrevirtahäviöihin. Liian suuri ilmaväli kasvattaa ilmavälite-

hoa vastustavaa ilmavälin reluktanssia, kun taas liian pieni ilmaväli mahdollistaa ei-ha-

luttujen harmonisten häviötekijöiden vaikutuksen roottorin toimintaan. 

Kitka- ja tuuletushäviöt Pfr,tot 

Kitka- ja tuuletushäviöt johtuvat oikosulkumoottorissa mekaanisesti liikkuvien osien; 

laakerien, tuulettimen ja roottorin aiheuttamasta kitkasta sekä moottorin viilentämiseen 

tarkoitetun ilmamassan siirtämisessä aiheutuneesta tuuletushäviöstä. Laakereissa häviöt 

johtuvat pääosin laakereiden vierintävastuksen ja tiivisteiden hankauksen aiheuttamasta 

kitkasta. Myös erikoiset maadoitusrakenteet akselissa kasvattavat yleensä roottorin kitka-

häviöitä. Tuuletin on aina suunniteltu riippuen moottorin pyörimisnopeudesta. Kaksi-

napainen oikosulkumoottori pyörii tuplasti nopeammin kuin nelinapainen, ja täten sen 

tuulettimen lavat on suunniteltu kyseiseen pyörimisnopeuteen tuuletushäviöiden mini-

moimiseksi. Myös oikosulkumoottorin roottorin oikosulkurenkaissa olevat tuuletusrimat 

aiheuttavat tuuletushäviöitä roottorin pyöriessä. IEC60034-2-1 (IEC 2014a: 25) standardi 

määrittää kitka- ja tuuletushäviöt graafisesti tyhjäkäyntitestissä mitattujen jatkuvien hä-

viöiden ja tyhjäkäyntijännitteen avulla. 

 



 30 

2.2.3 Hyötysuhteen määrittäminen 

Sähkömoottorin hyötysuhde kuvaa sen ominaisuutta muuntaa sille syötetty sähköteho 

mekaaniseksi voimaksi (Aho 2007: 24). Kuten on jo todettu aikaisemmin, vaikuttavat siis 

sähkömoottorissa esiintyvät häviöt sähkömoottorin hyötysuhteeseen. Hyötysuhde voi-

daan määrittää joko suoralla tai epäsuoralla menetelmällä, joista jälkimmäistä käytetään 

ABB oy:n oikosulkumoottoreiden hyötysuhteen määrittämiseen. Kyseisessä menetel-

mässä häviöt määritetään IEC60034-2-1 standardiin pohjautuvien metodien mukaisesti. 

Pennanen (2016) on diplomityössään tuonut selvästi esille, miten hyötysuhde mitataan ja 

määritetään standardin mukaisesti ABB oy:n Vaasan Motors and Generators -yksikössä. 

Työssä on tuotu esille myös testit ja niiden toteutusmenetelmät, jotka selventävät lopulli-

sen hyötysuhteen määritystä. Tästä johtuen tälle työlle ei ole koettu tarpeelliseksi tuoda 

esille tarkkaa hyötysuhteen määrittämisen polkua. Esitän kuitenkin lyhyesti epäsuoran 

hyötysuhteen määrittämiseen käytetyt häviökokonaisuudet, joita tulemme käsittelemään 

prototyyppien testituloksissa. IEC60034-2-1 standardi määrittää hyötysuhteen epäsuo-

ralla menetelmällä moottorille ja generaattorille 

𝜂 =
𝑃1,θ−𝑃T

𝑃1,θ
=

𝑃2

𝑃2+𝑃T
 , (17) 

missä P1,θ on lämpötilakorjattu syöttöteho kuormitustestistä, P2 on ulostuloteho kuormi-

tustestissä ja PT on sähkökoneen kokonaishäviöt 

𝑃T = 𝑃Fe + 𝑃fw + 𝑃sθ + 𝑃rθ + 𝑃LL , (18) 

missä PFe on rautahäviöt, Pfw on korjatut kitka- ja tuuletinhäviöt, Psθ on lämpötilakorjatut 

staattorihäviöt, Prθ on lämpötilakorjatut roottorihäviöt ja PLL jäännöshäviöt (IEC 2014a: 

28). Standardin mukaisesti staattorihäviöt lasketaan 

𝑃sθ = 𝑃s ∙ 𝑘θ = 1,5 ∙ 𝐼2 ∙ 𝑅 ∙ 𝑘θ , (19) 



 31 

missä I ja R ovat kuormitustestissä mitatut virran voimakkuus ja vaiheresistanssien kes-

kiarvo nimelliskuormalla ja kθ korjauskerroin. 

2.2.4 Eurooppalaiset hyötysuhdenormit 

IEC60034-30-1 standardi (IEC 2014b: 13) määrittää neljä IE-hyötysuhdeluokkaa kaikille 

sinimuotoista jännitettä käyttäville yksinopeusmoottoreille. Tämän tutkimuksen tavoit-

teena on optimoida alumiinikäämiä käyttäen sellainen tuotannollisesti mahdollinen rat-

kaisu, joka täyttää jopa IE4-hyötysuhdeluokan vaatimukset. Tuloksena löydettäisiin sel-

lainen Zitzlerin (1999) mukainen Pareto-optimi ratkaisu, jossa mitään sähkömoottorin ar-

voa ei voida parantaa huonontamatta jotain muuta arvoa. Pareto-optimin tuloksen saavut-

tamiseen käytetään luvussa neljä läpi käytävää Adept-ohjelmiston Optimizer-työkalua. 

Euroopan komissio on tuoreessa asetuksessaan (Komission asetus (EU) 2019/1781) mää-

rännyt sähkömoottorien ekologista suunnittelua koskevat vaatimukset. Tämän asetuksen 

liitteen 1 osissa 1 ja 3 määritetään aikataulut asetuksen voimaantuloon. Vuoden 2021 hei-

näkuun ensimmäisenä päivänä kumoutuu asetus (EY) N:o 640/2009 ja uutta asetusta 

2019/1781 aloitetaan soveltamaan. Uuden asetuksen mukaisesti tulee kyseisenä päivänä 

IE3-hyötysuhdeluokka pakolliseksi 2, 4, 6 ja 8 napaisille 0,75 kW:n ja sitä suuremmille 

kolmivaiheisille sähkömoottoreille, jotka eivät ole Ex eb increased safety turvaluokan 

moottoreita. Samana päivänä poistuu myös nykyisen asetuksen mahdollisuus ajaa IE2 

hyötysuhdeluokan moottoria taajuusmuuttajalla ja voimaan tulee taajuusmuuttajia kos-

keva hyötysuhdemääräys. Vuoden 2023 heinäkuun ensimmäisenä päivänä asettuu uuden 

asetuksen toinen vaihe voimaan, jolloin hyötysuhdevaatimukset tiukentuvat entisestään. 

Tällöin osalta 2, 4 ja 6 napaisilta 75–200 kW:n oikosulkumoottoreilta edellytetään jopa 

IE4-hyötysuhdeluokkaa. 

Eurooppalaiset hyötysuhdenormit eivät kuitenkaan yksinään määrää sähkömoottorien 

hyötysuhteita, vaan on olemassa muitakin maakohtaisia ja alueellisia vähimmäisstandar-

deja kuvan 7 mukaisesti. Alumiinikäämityksellä pystyttäisiin saavuttamaan merkittävä 

markkina-asema maissa ja alueilla, joissa IE2- ja IE3-hyötysuhdeluokan kustannustehok-

kailla sähkömoottoreilla on suuri kysyntä. 



 32 

 

Kuva 7. Maailman energiatehokkuuden vähimmäisstandardit (ABB 2018: 4). 

2.3 Ympäristövaikutukset 

International Energy Agencyn (IEA) raportin (2017: 11) mukaan maailma olisi kuluttanut 

vuonna 2016 kaksitoista prosenttia enemmän energiaa ilman vuonna 2000 aloitettuja 

energiatehokkuuden parantamisia. Tämä vastaa kokonaisen Euroopan Unionin lisäämistä 

maailmanlaajuisille energiamarkkinoille. Saman raportin mukaan sähkömoottorisovel-

lukset kattavat 53 prosenttia koko maailman sähkön kulutuksesta. Oikosulkumoottorei-

den kattaessa 90 prosenttia kaikista sähkömoottoreista, voidaan oikosulkumoottoreiden 

ympäristövaikutusta pitää vaikuttavana tekijänä koko maailman energiankulutuksessa. 

Ympäristöystävällisten markkinoiden kasvaessa on entistä tärkeämpää käyttää materiaa-

leja ja energiaa kestävästi ja tehokkaasti. Resurssitehokkailla valinnoilla pystymme kiin-

nittämään huomiota sähkömoottorien materiaali-, suunnittelu- ja tuotantoketjussa synty-

viin häviöihin. Yksinkertaisesti kun vähentää resurssien käyttöä, saa kustannussäästöjä ja 

yrityksen kilpailukyky paranee. Samalla toiminta on ympäristöystävällisempää. 

2.3.1 Materiaalien alkuperä 

Nykyään asiakkaat ovat laatutietoisia ja halukkaita tietämään ostamansa tuotteen materi-

aalien alkuperän ja tuotteen valmistukseen kuluneen hiilijalanjäljen. Toki oikosulkumoot-



 33 

tori kuormittaa ilmastoa koko elinkaarensa ajan, mutta osalle asiakkaista voi tämä tuot-

teen materiaalien alkuperä ja laatu olla ratkaiseva asia. Laadun ollessa ABB oy:n kilpai-

luvaltti, tulisi sitä käyttää myös asiakassuhteiden muodostamiseen ja kehittämiseen. Täl-

lainen asiakaslähtöinen ajattelutapa luo valmistusorganisaation ja asiakkaan välille kes-

tävän suhteen, josta molemmat hyötyvät. 

ABB oy:n velvollisuutena on varmistaa, että tuotteisiin käytetyt materiaalit eivät vaikuta 

ympäristön rappeutumiseen, johda konflikteihin tai muuten epäeettisesti käytä hyväksi 

maata, joka valmistaa niitä. ABB vaatii toimittajiltaan asianmukaista huolellisuutta ma-

teriaalien määräystenmukaiseen hankintaan seuraavin ohjeistuksin ABB (2019b): 

▪ Noudata ABB:n luomia toimittajien ohjesääntöjä. 

▪ Suorita tarvittavat toimenpiteet osoittaaksesi, että ABB:lle toimitetut konflikti-

mineraalit ovat peräisin konfliktittomista lähteistä. 

▪ Jatka hakua tarvittaessa syvemmälle toimitusketjussa määrittääksesi mineraa-

lien lähde. 

▪ Varmista, ettei kukaan toimitusketjussa diskriminoi laillisia konfliktimateriaa-

lien lähteitä. 

Elementtien ryhmä; tina, tantaali, volframi ja kulta, muodostavat ns. konfliktimineraalien 

ryhmän, joka tunnetaan myös materiaalien englanninkielisien nimien lyhenteenä 3TG 

(tin, tantalum, tungsten, gold). ABB tukee organisaationa vastuullista mineraalien han-

kintaa sekä teollisuuden aloitteita työskentelemällä yhdessä toimittajiensa kanssa helpot-

taakseen konfliktivapaita materiaalihankintoja, jotka edistävät talouskasvua. Lisäksi 

ABB on Responsible Minerals Initiative -järjestön (RMI) jäsen ja noudattaa Organisation 

for Economic Co-operation and Development -organisaation (OECD) ohjeita konflikti-

mineraalien läpinäkyvyyden lisäämiseksi toimitusketjussaan. Responsible Sourcing Net-

workin (RSN) teettämä Mining the Disclosures on vuosittainen arvio yritysten toimin-



 34 

nasta konfliktimineraalien käsittelemiseksi, mukaan lukien riskienhallinta, ihmisoikeus-

vaikutukset ja raportoinnin laatu. ABB on sijoittunut vuoden 2019 arviossa teollisten tuot-

teiden valmistajien joukossa neljänneksi kuudellakymmenelläneljällä pisteellä sadasta 

(Responsible Sourcing Network 2019: 21). 

Muita materiaalien määräystenmukaisuuteen liittyviä asetuksia, joita ABB oy:n tulee 

noudattaa ovat; Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals 

(REACH) sekä Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and 

electronic equipment (RoHS). Euroopan parlamentin ja neuvoston asetus (EY) N:o 

1907/2006, joka on annettu parantamaan ihmisten ja eläinten terveyden sekä ympäristön 

suojelemista kemikaalien aiheuttamilta vaaroilta, edesauttaa ABB oy:n ympäristöystäväl-

listä toimintaa. Euroopan Unionin RoHs-direktiivin tarkoituksena on rajoittaa vaarallisten 

aineiden käyttöä sähkö- ja elektroniikkalaitteissa. Näiden myötä ABB onkin määrittänyt 

kiellettyjen ja rajoitettujen kemikaalien luettelon, joka auttaa organisaation insinöörejä ja 

toimittajia mukautumaan säännösten vaatimuksiin. 

Tutkimuksessa käytetyn alumiinijohtimen sekä sitä vastaavan kuparijohtimen alkuperä 

selvitettiin tuotantoketjumme yhdeltä tärkeimmältä kuparijohtimen tuottajalta, LWW 

Group:ilta, joka on osa Liljedahl Group:ia. Vastauksena saatiin, että kuparijohtimen val-

mistukseen käytetty kupari tulee täysin kaivoksista jalostetusta malmista. LWW 

Group:iin kuuluva Dahréntråd, jolta suurin osa Vaasan moottoritehtaan omaan käämin-

tään hankitusta kuparijohtimesta ostetaan, saa kuparijohtimien valmistuksessa käyttä-

mänsä kuparin Bolidenin Aitik-kaivokselta Pohjois-Ruotsista. Vastaavasti alumiinijohti-

men valmistukseen käytetty materiaali hankitaan täysin kaivostoiminnasta jalostetusta 

bauksiitista. Alumiinin alkuperä on LWW:n mukaan Hydro-yhtiön tuotantotehtaat Etelä-

Norjassa. Mielenkiintoisena sivukommenttina liittyen kuparin ja alumiinin raakamateri-

aalin sekä kupari- ja alumiinijohtimen hintojen välillä selvisi, että alumiinijohtimen val-

mistukseen joudutaan käyttämään noin kolminkertainen aika kuparijohtimen valmistuk-

seen verrattuna. Tästä johtuen alumiinijohtimen hinta on verrannollisesti suurempi kuin 

kuparijohtimen, kun tarkastellaan vastaavia raakamateriaalien hintoja. 

 



 35 

2.3.2 Materiaalien tuotanto ja hiilijalanjälki 

Työn keskittyessä energiatehokkaan materiaalin valintaan kuparin ja alumiinin kesken, 

on tarpeellista tuoda esille hiilijalanjälki, joka on syntynyt kuparin ja alumiinin tuotan-

nossa. ABB on globaali yhtiö, joka valmistaa teollisuustuotteita ympäri maailmaa. On siis 

selvää, että eri tuotantotehtaat saavat materiaalinsa eri valmistajilta ja täten materiaalien 

alkuperä riippuu tuotteen tuotantopaikasta. Raskaiden metallien kuljettaminen pitkiä mat-

koja ei ole kannattavaa, jonka myötä nämä materiaalit yleensä tuodaan mahdollisimman 

läheltä. Globaalin toiminnan takia tuodaan työssä esille seuraavaksi globaalisti vertailta-

via ja saatavilla olevia tietoja. Hiilijalanjäljen mittarina käytetään hiilidioksidiekvivalent-

tia (CO2-ekv), joka ilmaisee eri kasvihuonekaasujen GWP100-kertoimella yhteismitallis-

tetun eli muunnetun ilmastoa lämmittävän voimakkuuden suhteutettuna hiilidioksidiin. 

Esimerkiksi metaanin GWP100-kerroin on 21, eli metaanin lämmityskerroin on 21 kertaa 

hiilidioksidia suurempi. Näin saadaan se hiilidioksidipäästöjen taso, jolla olisi alkuperäi-

sen kasvihuonekaasun vastaava lämmitysvaikutus. (Ympäristöministeriö 2003: 7, 64). 

Alumiinin tuotanto ja hiilijalanjälki 

Primäärialumiinia tuotetaan maailmanlaajuisesti louhimalla bauksiittimalmia, jalosta-

malla se Bayer-prosessilla alumiinioksidiksi ja pelkistämällä tämä yleisimmällä alumii-

nin valmistusmenetelmällä, Hall–Héroult-menetelmällä, noin 960 °C:n lämpötilassa su-

laksi seokseksi. Kyseisessä menetelmässä liuokseen johdetaan 150–300 kA:n tasavirta 

alle 5 voltin jännitteellä, jolloin hiilianodit reagoivat alumiinioksidin kanssa synnyttäen 

sulaa alumiinia ja hiilidioksidia (Prasad 2000: 246). Kuvassa 8 on esitettynä primäärialu-

miinin tuotannon määriä maittain tai alueittain vuodesta 1950 vuoteen 2016. Tämän mu-

kaan primäärialumiinia tuotetaan nykyään vuositasolla maailmanlaajuisesti jo yli  

60 miljoonaa tonnia. 



 36 

 

Kuva 8. Primäärialumiinin tuotannon historia (European Aluminium 2019: 14). 

Sekundäärialumiini tuotetaan maailmanlaajuisesti kierrätetystä alumiiniromusta. Alu-

miini ei menetä ominaisuuksiaan, vaikka sitä kierrätettäisiinkin useaan kertaan. Tästä joh-

tuen noin 75 prosenttia kaikesta koskaan tuotetusta alumiinista on tänä päivänä edelleen 

käytössä. Euroopassa kerätystä alumiiniromusta 90 prosenttia kierrätetään itse ja 10 pro-

senttia viedään Euroopan ulkopuolelle kierrätettäväksi. Vuonna 2017 tämän alumiiniro-

mun kokonaismäärä oli noin 8,9 miljoonaa tonnia. (European Aluminium 2019: 26–28). 

International Aluminium Institute (IAI) on kerännyt internetsivuilleen (IAI 2020) tilasto-

tietoa maailman alumiinin tuotannosta. Taulukkoon 2 on koottu merkittävimmät luvut 

vuosina 2000 ja 2018 koko maailman, Kiinan, Amerikan ja Euroopan osalta vertailta-

vaksi. Tähdellä (*) merkitty luku taulukossa on vuodelta 2003, sillä kyseistä lukua ei ollut 

saatavissa vuodelle 2000. 



 37 

Taulukko 2. Maailmanlaajuinen alumiinin tuotanto vuonna 2000 ja 2018. (IAI 2020). 

 
2000 

   
2018 

   

 
Maailma Kiina 

Ame-

rikka 

Eu-

rooppa Maailma Kiina 

Ame-

rikka 

Eu-

rooppa 

Primäärialumiinin tuo-

tanto (tuhatta tonnia) 
24 657 2 794 8 208 7 490 64 336 36 485 4 938 7 782 

Alumiinioksidin tuotanto  

(tuhatta tonnia) 
52 583 6 112* 16 979 10 623 130 433 71 547 12 860 10 334 

Primäärialumiinin tuotan-

nossa käytetty sähköener-

gia (kWh/kg) 

15,381 15,479 15,565 15,242 14,221 13,555 15,423 15,468 

Primäärialumiinin sula-

tuksessa käytetty sähkö-

energia (GWh) 

301 718 43 248 120 406 62 685 867 757 494 554 75 048 122 237 

     • Josta kivihiilen osuus 120 479 38 923 0 14 286 531 014 445 099 7 513 8 010 

Metallurgisen alumiiniok-

sidin tuotannossa käytetty 

energia (MJ/kg) 

14,479 35,644 11,779 12,627 11,359 11,525 9,609 13,076 

Metallurgisen alumiiniok-

sidin tuotannossa käytetty 

polttoaine (TJ) 

597 121 154 339 188 456 43 668 1 336 249 835 900 101 536 100 644 

     • Josta kivihiilen osuus 181 127 111 849 7 636 0 747 820 605 777 26 064 0 

Taulukosta 2 nähdään, kuinka Kiinan osuus alumiinin tuotannosta on kasvanut räjähdys-

mäisesti kuvan 8 mukaisesti. Vaikka Kiina käyttääkin nykyään maailman keskiarvoa vä-

hemmän sähköenergiaa primäärialumiinikilogramman tuotantoa kohden, on hälyttävää 

kuinka paljon Kiina käyttää yhä tänä päivänä kivihiiltä energian tuottamiseen. Kiina tuotti 

vuonna 2018 noin 57 prosenttia koko maailman primäärialumiinista. Tämän tuotannon 

sulatuksessa käytetty energia on kuitenkin katettu 90 prosenttisesti kivihiilellä. Tästä 

päästään primäärialumiinikilogramman tuotannossa syntyvään hiilijalanjälkeen. 

Maailmanlaajuinen keskiarvo yhden primäärialumiinikilogramman valmistuksessa syn-

tyneelle hiilijalanjäljelle on tänä päivänä 18 kgCO2-ekv, kun vastaava luku Euroopassa 

on 7 kgCO2-ekv  ja Kiinassa 20 kgCO2-ekv. Tämä luku muuttuu suuresti riippuen alu-



 38 

miinin sulatuksessa käytetyn sähköenergian alkuperästä, sillä primäärialumiinin tuotan-

non kustannuksista sähköenergian kustannukset kattavat jopa 40 prosenttia. (European 

Aluminium 2019: 9, 34). Tästä johtuen Kiinassa tuotetun primäärialumiinin hiilijalanjälki 

on ainakin vielä tänä päivänä moninkertainen muihin tuottajamaihin verrattuna. Alcoa, 

yksi maailman suurimmista alumiinin metallurgisista tuottajista, arvioi raportissaan (Al-

coa 2018: 18), että Kiina tuottaa yli 65 prosenttia maailmanlaajuisesta alumiinin tuotan-

nossa syntyneestä hiilijalanjäljestä. 

Ekologisista vaihtoehdoista Alcoa mainitsee raportissaan (2018: 25), että sen uusiutuvalla 

energialla toimiva alumiinisulatin tuottaa alle 2,5 kgCO2-ekv tuotettua primäärialumii-

nikilogrammaa kohden. Uusiutuvan energian suosion kasvaessa ja fossiilisten polttoai-

neiden poistuessa voidaan todeta, että primäärialumiinin tuottamisessa syntyneen hiilija-

lanjäljen vähentämisessä on vielä suuria mahdollisuuksia. Tänä päivänä alumiinin ostajan 

on oltava kuitenkin tietoinen valinnoissaan, jos hän haluaa vähentää hiilijalanjälkeään. 

Kuparin tuotanto ja hiilijalanjälki 

Primäärikupari jalostetaan yleisimmin kaivostoiminnalla tuotetusta malmista. Louhittu 

malmi murskataan ja jauhetaan, ja se rikastetaan käyttämällä vaahdotusmenetelmää. Tä-

män jälkeen rikastettu malmi paahdetaan noin 500–700 °C:n asteen kuumuudessa rikin 

poistamiseksi ja malmin kuivaamiseksi. Sitten noin 50–70 prosentin kuparipitoisuuden 

omaava malmi sulatetaan noin 1200 °C asteen kuumuudessa nestemäisen kupari- ja rau-

tasulfidin seokseksi. Tähän seokseen puhalletaan hapella rikastettua ilmaa, jolloin muo-

dostuu kuparioksidia. Tällöin lopputuotteena saadaan puhdasta kuparia sekä rikkioksidia. 

Elektrolyyttisellä puhdistuksella tai rikastuksella tämä voidaan jalostaa 99,99 prosent-

tiseksi kupariksi. (International Copper Study Group, ICSG 2019: 9). SX-EW (Solvent 

extraction and electrowinning) on suosiota viime vuosikymmeninä kasvattanut kaksivai-

heinen hydrometallurginen prosessi, jossa liuottimien ja sähköisen talteenoton avulla ote-

taan uuttonesteistä talteen puhdasta metallia. Nämä tuotantomenetelmät luovat primääri-

kuparin tuotannon kokonaisuuden, jonka historia esitetään kuvassa 9. Nykyään primääri-

kuparia tuotetaan vuositasolla jo yli 20 000 tuhatta tonnia. 



 39 

 

Kuva 9. Primäärikuparin maailmanlaajuinen tuotantomäärä tuhansina tonneina 

(huom. desimaalierotin) vuosina 1900–2018 (ICSG 2019: 10). 

International Copper Association (ICA) on internetsivuillaan (ICA 2020) koonnut kupa-

rin tuotantoa koskevia indikaattoreita. Kyseiset tulokset ovat koottu kahdenkymmenen-

neljän maailmanlaajuisesti toimivan primäärikuparin tuottajan raportoinnin avulla. Sivus-

ton mukaan kyseiset tuottajat kattavat 40–50 prosenttia maailman vuosittaisesta primää-

rikuparin valmistuksesta. Indikaattorien (ICA 2020) mukaan yhden primäärikuparikilo-

gramman valmistus on vuonna 2017 kuluttanut noin 10,8 kWh energiaa ja tuottanut  

4,2 kgCO2-ekv hiilidioksidipäästöjä. 

Kuparin hiilijalanjälkeen vaikuttaa kaivostoiminnan muoto (maanalainen tai avonainen 

kaivos) ja sen energialähteiden alkuperä. Uusiutuvan energian käyttömäärä suhteutettuna 

kokonaisuudessa käytettyyn energiaan on suuressa roolissa, kun tarkastellaan kuparin hii-

lijalanjälkeä. Kaivostoiminnassa käytetty sähköenergia ei kuitenkaan ole ainut ratkaiseva 

tekijä, kun tarkastellaan kokonaiskulutuksia. Määräävä tekijä hiilijalanjäljen syntyyn ovat 

myös polttoaineet, jotka ovat suuressa roolissa raakamateriaalien kuljetuksessa. 



 40 

Lopuksi voidaan todeta, että maailmanlaajuisesti tarkasteltuna primäärialumiinin tuo-

tanto tuottaa suuremman hiilijalanjäljen kuin primäärikuparin tuotanto kilogrammaa koh-

den. Vaikuttavin tekijä tähän on kuitenkin primäärialumiinin tuotannon sulatusvaihe, joka 

vaatii suuren määrän sähköenergiaa. Edellä mainitusti Kiina on merkittävin tekijä pri-

määrialumiinin tuotannossa syntyvään hiilijalanjälkeen kivihiilen käyttömäärällään. 

Edellä todetusti uusiutuvalla energialla toimiva alumiinin valmistus voi kuitenkin tuottaa 

pienemmän hiilijalanjäljen kuin kupari. 

2.3.3 Materiaalien kierrätettävyys 

Alumiinia ja kuparia on kierrätetty viime vuosina kasvavassa määrin. Nämä metallit eivät 

menetä ominaisuuksiaan, vaikka niitä kierrätettäisiin useaankin kertaan. Kierrätyksen 

avulla tuotettu kupari tai alumiini ei vain säästä arvokkaita luonnonvaroja, mutta vaatii 

myös huomattavasti vähemmän energiaa kuin maaperästä louhitusta raakamalmista val-

mistettu metalli (UN Environment 2017: 85). International Copper Association (2017: 1), 

myöhemmin ICA, mukaan kierrätetyn kuparin valmistus vaatii vain 80–90 prosenttia siitä 

energiasta joka vaadittaisiin louhitusta materiaalista valmistetun kuparin valmistukseen. 

Maailmanlaajuisesti tällä säästetään noin 40 miljoonaa tonnia CO2-päästöjä. Vastaavasti 

alumiinin uudelleensulatus tarvitsee vain 5 prosenttia siitä energiamäärästä, mikä tarvit-

tiin primäärialumiinin valmistukseen (Teknologiateollisuus 2006: 37). 

Soulierin, Glöserin, Goldmannin ja Terceron (2018) mukaan Euroopan kuparikysynnästä 

pystytään nykyään kattamaan jo 50 prosenttia kierrätetyllä kuparilla. Vastaavasti ICA:n 

(2017: 2) ja ICSG:n (2019: 52) raporttien mukaan 33–35 prosenttia koko maailman ku-

parikysynnästä on täytetty kierrätetyllä kuparilla. Alumiinin maailmanlaajuisesta tuotan-

nosta on vuonna 2017 katettu IAI:n (2019) luoman internerpohjaisen työkalun mukaan 

31,6 prosenttia kierrätetyllä alumiinilla. 

Oikosulkumoottorin käyttöiän päättyessä valurauta, teräs, alumiini, kupari, ruostumaton 

teräs ja messinkiosat, jotka edustavat yli 98 prosenttia moottorin kokonaismateriaaleista, 

ovat täysin kierrätettäviä. Metallien lisäksi sähkömoottori sisältää pieniä määriä kumia ja 

muovia, jotka ovat yhtälailla mahdollista kierrättää. (UN Environment 2017 : 85). 



 41 

2.3.4 Elinkaariarviointi 

Elinkaariarviointi (Life Cycle Assesment, LCA) on menetelmä, jolla tuotteen elinkaaren 

aikaiset potentiaaliset ympäristövaikutukset arvioidaan (Dammert, Väänänen, Kuuva, 

Valkama & Kaipainen 2004: 27). Se auttaa niin kuluttajia kuin tuottajiakin ymmärtämään 

paremmin ympäristökuormitusten syntyä koko tuotteen tai palvelun elinkaaren aikana. 

Elinkaariarviointia voidaankin käyttää useaan eri tarkoitukseen. Yksi yleisimmin selvi-

tettävä asia on löytää ne tekijät, jotka ovat tuotteen elinkaaren aikana ympäristövaikutuk-

siltaan suurimmat (Möttönen 2013: 19). 

Olivetin, Duanin ja Kirchainin (2013: 34) NEMA:lle teettämän tutkimushankkeen mu-

kaan koko elinkaaren energiankulutuksesta oikosulkumoottorin käyttövaihe tuottaa  

99,8 prosenttia päästöistä (tutkimuksen kohteena oli 25 hp:n 6-napainen NEMA-premium 

oikosulkumoottori 5000 h:n keskimääräisellä käyttöajalla ja 20 vuoden käyttöiällä). Myös 

Orlova, Rassõlkin, Kallaste, Vaimann ja Belahcen (2016: 7) ovat tutkimusraportissaan 

todenneet oikosulkumoottorin käyttövaiheen olevan 97,9 prosenttisesti vastuussa moot-

torin koko elinkaaren ympäristövaikutuksista (tutkimuksen kohteena oli 10 kW:n IE1 oi-

kosulkumoottori 3 000 h:n keskimääräisellä käyttöajalla ja 15 vuoden käyttöiällä). Möt-

tönen (2013: 92) on ABB oy:lle tehdyn diplomityönsä johtopäätöksessä kuitenkin toden-

nut 315-runkokoon ja 200 kW:n prosessimoottorin elinkaaren kokonaisympäristövaiku-

tuksien olevan lähes yhtä suuret niin moottorin tuottamisen kuin käytönkin osalta. Tulok-

set ovat siis hyvinkin ristiriitaisia, mikä voi johtua käytettyjen laskentamenetelmien eroa-

vaisuuksista tai syötettyjen tietojen määrästä ja varmuudesta. Toki mitä suurempi on 

moottori, sitä enemmän siihen on käytetty materiaaleja ja resursseja ja sitä parempi sen 

hyötysuhde keskimäärin on. Toisaalta nimellisteholtaan suurempi moottori käyttää enem-

män sähköä ja näin kuormittaa ympäristöä enemmän. 

Oikosulkumoottorin keskimääräisen käyttöiän ollessa yli 15 vuotta ja käyttöajan ollessa 

noin 5 000 tuntia vuodessa voidaan kuitenkin todeta edellä olevien raporttien tuloksista, 

että hyötysuhde on erittäin merkittävä tekijä sähkömoottorin elinkaarivaikutuksille. Kor-

keamman hyötysuhteen tiedetään vaikuttavan positiivisesti myös moottorin käyttöikään. 



 42 

3 STAATTORIKÄÄMITYS ALUMIINIJOHTIMELLA 

Sähkömoottorin staattori- ja roottoripakettien käämintä voidaan toteuttaa useammalla ra-

kenteellisesti eroavalla menetelmällä, joka riippuu useimmiten moottorin kokoluokasta 

ja käyttötarkoituksesta. Myös uramuotojen muokkauksella voidaan vaikuttaa oikosulku-

moottorin tuottamaan käynnistys- ja huippumomenttiin. Tässä luvussa käydään läpi kol-

mivaiheisen oikosulkumoottorin staattorin käämintämenetelmä sekä alumiinijohtimen 

mahdollinen vaikutus käämintärakenteeseen. 

Oikosulkumoottoreita voidaan valmistaa joko kolmi- tai yksivaiheisina. Yksivaiheiset oi-

kosulkumoottorit tarvitsevat toimiakseen käynnistysapukäämin, jonka kanssa on kytketty 

sarjaan joko yksi tai kaksi kondesaattoria riippuen halutusta käynnistysmomentin suuruu-

desta. Kolmivaiheisen oikosulkumoottorin staattorikäämityksen ollessa käämitty sym-

metrisesti, syntyy koneen sisälle automaattisesti pyörivä magneettikenttä, kun syöttövirta 

on kolmivaiheista. 

3.1 Symmetrinen kolmivaiheinen urakäämitys 

Oikosulkumoottorin ilmaväli jaetaan tasaisesti napaparien lukumäärän p mukaan, jotta 

saadaan määritettyä napakaaren pituus sekä sitä vastaava napajako τp, joka voidaan mää-

rittää metreinä yhtälöllä 

 𝜏p =
𝜋∙𝐷

2∙𝑝
, (20) 

missä D on staattorin sisähalkaisija metreinä. Tällöin yhden vaiheen osuus eli vyöhyke-

jako on kuvan 10 mukaisesti 

𝜏v =
𝜏p

𝑚
. (21) 



 43 

 

Kuva 10. Kaksinapaisen oikosulkumoottorin staattorikäämitys ja sen napajakoisuus. 

Kuvan 10 mukaisesti U, V ja W vaiheet sijoittuvat 120 sähköasteen välein. Samaan na-

papariin kuuluvat positiivinen ja negatiivinen vaihe asettuvat 180 sähköasteen välein ja 

vyöhykejakojen määrä on aina 2pm. Uralukujen määrää suunniteltaessa yhden staattorin 

vyöhykejaon urien lukumäärä q1 (vastaavasti q2 staattorissa) lasketaan 

𝑞1 =
𝑄1

2𝑝𝑚
, (22) 

missä Q1 on urien kokonaismäärä staattorissa (vastaavasti Q2 roottorissa). Urien luku-

määrä valitaan sellaiseksi, että kolmivaiheisen moottorin ilmavälissä syntyvät parittomat 

yliaallot vaimentuvat. Varsinkin 5. ja 7. yliaallolla on tapana aiheuttaa roottorin pintaan 

vaikuttavan 6. harmonisen yliaaltovirran, joka roottoriin indusoiduttuaan saa aikaan kuu-

sinkertaisella taajuudella sykkivän momentin. Kyseisen yliaallon indusoitumista voidaan 

kuitenkin vaimentaa staattorin 5/6 lyhytjännekäämityksellä, jolloin staattorin uraluku tu-

lee olla parillisesti jaollinen 2pm:llä. Tällöin kaksinapaisen oikosulkumoottorin staattorin 

rakenteelle otollisimmat uralukumäärät ovat 12, 24, 36, 48, 60 jne. (Aho: 2007: 92–93). 

 



 44 

Käämitykset jaetaan niiden muodon mukaan mm. limikäämityksiin ja tasokäämityksiin. 

Näistä limikäämitys on nykyään yleisempi, koska se vie pienemmän tilan, sen vyyhdit 

ovat kaikki samankokoisia ja ne tukevat hyvin toisiaan. Kuvassa 11 on esitettynä nämä 

käämintämenetelmät. Käämitykset jaetaan staattorin uriin, joiden lukumäärää valitaan 

edellä esitetysti. Tässä työssä on tutkittu kaksinapaista oikosulkumoottoria, jonka limi-

käämityssä staattorissa on 48 uraa kuvan 11a mukaisesti. 

 

Kuva 11. Työssä käytetty limikäämitys (a), sekä vaihtoehtoinen tasokäämitys (b). Mo-

lemmissa käämintämenetelmissä p=1, Q1=48 ja q1=8. 

Käämin pituuden tarkka määrittely sähkökoneelle on varsin vaikea tehtävä. Urakäämi-

tyksen tapauksessa käämityksen pituuden määritys vaikeutuu varsinkin jos eripituisia 

käämejä on käytetty moottorin valmistuksessa. Alustavat laskelmat voidaan kuitenkin to-

teuttaa käyttämällä empiirisiä yhtälöitä. Pyörölangalla urakäämitylle pienjännitemootto-

rille voidaan laskea käämityksen keskimääräiselle pituudelle lav likimääräarvo 

𝑙av ≈ 2𝑙 + 2,4𝑊 + 0,1, (23) 

missä l on staattoripaketin pituus ja W käämikierroksen kahden uran perifeerinen etäisyys 

metreinä. (Pyrhönen ym. 2014: 265–266). 



 45 

3.2 Staattoriura ja sen eristeet 

Staattorin yleisin uramuoto on puolisuljettu, pohjalta puolipallomainen ura, joka tukee 

hyvin käämitystä. Tämän puolisuljetun uran etuna on parantunut magneettivuon kulku 

staattorin sähkölevyssä sekä oikosulkumoottorin ilmavälissä. Tässä työssä käytetään ky-

seistä uramuotoa, jota myöhemmin optimoidaan suuremmaksi staattorihäviöiden pienen-

tämiseksi. Muita mahdollisia ja yleisiä staattorin uramuotoja on esitetty kuvassa 12. 

 

Kuva 12. Oikosulkumoottorille mahdollisia puolisuljettuja uramuotoja: pohjalta puoli-

pallomainen ura (a), pohjalta ja hampaasta puolipallomainen ura (b), pohjalta 

hieman pyöristetty ura (c), pohjalta suora ura (d) sekä pohjalta suora ura jonka 

hampaat ovat pyöristetty (e). 

Kuvassa 12 esitetyistä uramuodoista on tässä työssä käytetty siis uraa (a). Pienemmissä 

kaksinapaisissa, 90–180 runkokoon moottoreissa, käytetään myös uramuotoja (c) ja (d), 

ja runkokoon 80 kaksinapaisissa moottoreissa käytetään yleisesti uraa (e). Kyseisillä ura-

muodoilla voidaan vaikuttaa staattorin luomaan pyörivään magneettikenttään, joka taas 

vaikuttaa oikosulkumoottorin synnyttämään vääntömomenttiin. Uramuodon valinnalla 

voidaan siis muokata moottorin käynnistys- ja huippumomenttia soveltuvaksi tietylle te-

holle tietyssä nopeudessa. 

 



 46 

Uriin sijoitettavat käämijohtimet eristetään staattoripaketista uraeristeellä ja uran suu-

aukko suljetaan joko sulkuliuskalla tai urakiilalla. Näiden lisäksi vyyhdin päihin asenne-

taan vaihe-eristeet, jotka estävät vaiheiden välille syntyviä oikosulkuja. Eristeiltä vaadi-

taan mahdollisimman pientä sähköjohtavuutta ja suurta jännitekestoisuutta. Näillä omi-

naisuuksilla saavutetaan pienemmät häviöt ja estetään läpilyöntien syntyminen. 

Alumiinijohtimen käyttö kuparijohtimen sijaan ei vaadi toimenpiteitä eristeitä ajatellen. 

Alumiinijohtimella voidaan käyttää täysin samaa uramuotoa ja täysin samoja eristeitä. 

Jäljelle jää vain alumiinijohtimella käytetty kytkentä ja alumiinin huonomman sähkön-

johtavuuden aiheuttama optimointi.  

3.3 Alumiinikääminnän tuotekehitys Vaasassa 

Alumiinijohtimen tehokasta käyttöä staattorin johdinmateriaalina on tutkittu Vaasan Mo-

tors and Generators -yksikössä jo vuosia. Tutkinnan kohteina ovat olleet pienemmät,  

132- ja 160-runkokoon sähkömoottorit. Prototyyppien valmistuksella ja testauksella on 

pyritty löytämään kustannustehokkaampi ratkaisu, joka pienemmällä materiaalikustan-

nuksella pystyy kuitenkin tuottamaan yhtäläisen hyötysuhteen kuin käytössä oleva tuote. 

132-runkokoon oikosulkumoottorille 5,5 kW:n nimellisteholla toteutettiin vuonna 2018 

Vaasan tutkimus- ja tuotekehitysosaston projektina yhtälainen uramuodon optimointi 

kuin tässäkin työssä tehdään. Kyseisellä moottorilla saattoriuran suurennus ei täysin on-

nistunut, sillä staattorirauta kyllästyi ja moottorin tehokerroin romahti kymmenyksellä. 

Kyseisellä prototyypillä staattoriuran leveyttä kasvatettiin jopa 30 prosenttia ja korkeutta 

25 prosenttia. Optimointiin toteutetuissa laskelmissa ei tehokerroin alentunut, vaikka to-

dellisuudessa näin kävikin. Onkin siis muistettava, että Adept-laskelmissa käytettävien 

kaksiulotteisten FEM-laskelmien tulosten tarkkuus riippuu suuresti annetun vyyhdenpään 

reaktanssin tarkkuudesta, elementtiverkon ja laskelmissa käytetyn muotofunktion as-

teesta sekä annettujen BH-käyrien arvojen oikeellisuudesta. Laskennat eivät välttämättä 

siis aina pidä paikaansa ja täten uuden rakenteen optimoinnissa on tärkeää verrata lasken-

tatulosten muutoksia siirryttäessä vanhasta rakenteesta uuteen. 



 47 

Ojala (2019) tutki diplomityössään erilaisia alumiinijohtimelle suunniteltuja kaapeliken-

kiä ja jatkoliittimiä. Oleellista tässä työssä oli toteutettu lämpövanhenemiskoe, jossa tut-

kittiin alumiinin pinnalle muodostuvan oksidikerroksen vaikutusta liitosresistanssiin ja 

näin ollen liitoksen sähkönjohtavuuteen (Ojala 2019: 10). Työssä tuotiin esille tärkeitä 

havaintoja erilaisten kaapelikenkien ja jatkoliittimien soveltuvuudesta alumiinijohti-

melle. Ojala (2019: 57) on esimerkiksi huomauttanut, että alumiiniset kaapelikengät ovat 

kooltaan yleensä suurempia verrattuna kuparista valmistettuihin kaapelikenkiin. Liitin-

koteloihin varattu tila on kuitenkin rajallinen ja täten suuremmat kaapelikengät ei välttä-

mättä ole jokaiseen rakenteeseen soveltuva. Työssä ei kuitenkaan otettu huomioon, vai-

kuttaako käämille toteutettu hartsaus jatkoliitoksen sähkönjohtavuuteen. Täten päätettiin 

toteuttaa tässä työssä seuraavaksi alaluvussa 3.4 läpi käytävä lisätutkimus. 

3.4 Uppokyllästetyn jatkoliitoksen lämpövanhennuskoe 

Yleisesti kääminnässä on kaksi vaihtoehtoa; joko käämivyyhdin johtimet tuodaan suo-

raan liitinkotelon liitinalustaan tai ne jatketaan kääminnässä jatkoliittimellä, jolloin myös 

liitoskohta joutuu hartsaukseen. Edellisissä tuotekehitysosaston valmistamissa alumii-

nikäämityissä prototyypeissä on käämivyyhdit tuotu suoraan liitinalustaan. Täten työssä 

päätettiin toteuttaa lisätutkimus, jossa tutkittiin hartsatun jatkoliitoksen sähkönjohta-

vuutta lämpövanhennuskokeen aikana. Hartsattu jatkoliitos voisi luoda alumiinijohti-

melle varsin suojatun liitoksen, johon ei ilma, lika tai kosteus pääsisi vaikuttamaan. Toi-

saalta hartsi voi vaikuttaa myös negatiivisesti sähköisen liitospinnan pysyvyyteen. 

Tutkittavaksi kohteeksi valittiin Ounevan JHR-jatkoliitin, jota myös Ojala (2019) käytti 

työssään. Kyseistä jatkoliitintä käytetään kupari- ja alumiinijohtimien sekä käämien jat-

kamiseen. Se on valmistettu 99,9 prosenttisesti puhtaasta kuparista ja pinnoitettu elektro-

lyyttisesti tinalla. Jatkoliittimen sisällä on tinapinnoitetusta messingistä valmistettu raste-

riverkko, joka rikkoo alumiinijohtimen pinnalle syntyvän oksidikerroksen. Ojala (2019: 

60) on todennut toteuttamiensa ikääntymistestien perusteella, että kyseinen jatkoliitin 

toimi hyvin ja resistanssin muutos käyttäytyi samalla tavalla kuten tuotannossa käytössä 

olevien kaapelikenkien ja jatkoholkkien resistanssit. Kyseiselle jatkoholkille on kuitenkin 



 48 

Ojalan (2019: 51) mukaisesti huomioitava, että sen sisähalkaisija on rasteriverkon takia 

jonkin verran pienempi kuin tuotannossa normaalisti käytettävien jatkoliittimien. Tämän 

takia sen sisään ei mahdu vastaava määrä johdinlankoja kuin tuotannossa normaalisti käy-

tettävään jatkoliittimeen. Kyseiset jatkoliittimet ovat esitetty kuvassa 13. 

 

Kuva 13. Vakio- ja Ounevan JHR -jatkoliittimet (16 mm2) vierekkäin. 

Lisäksi tutkittavaksi kohteeksi todettiin yhden johtimen jatkoliitokseen käytettävä jatko-

liitin. Kun tuotannossa käämivyyhtiä kelatessa johdinlanka pääsee loppumaan, otetaan 

käytetyn johdinkelan tilalle uusi kela ja jatketaan käämivyyhtiä siten, että jatkoliitos jää 

käämivyyhdin päähän. Kyseinen jatkoliitin on kuitenkin tinattua kuparia ja se on tarkoi-

tettu vain kuparijohtimen jatkamiseen. Kyseistä kokoluokkaa ei ole saatavilla alumii-

nijohtimelle samalta toimittajalta eli Ounevalta, jolloin alumiinijohtimelle tarkoitetulle 

jatkoliittimelle tulisi löytää uusi toimittaja. Lisätutkimuksen kohteena olevat liitokset ovat 

esitettyinä kuvissa 14 ja 15. 

 

Kuva 14. Yhden johtimen jatkoliitos alumiinijohtimella. 



 49 

 

Kuva 15. Käämivyyhdin jatkoliitos, jossa vasemmalla puolella on alumiinijohdinta ja 

oikealla puolella kuparijohdinta. Jatkoliittimenä Ounevan JHR 16 -jatkoliitin. 

Kääminnän tuotannossa vakioliitokset tehdään tämän lisätutkimuksen mukaisesti. Liitok-

set sijoitetaan vyyhdin päihin ja ne suojataan yleensä tuotannossa kaksinkertaisella eris-

tyksellä. Tämä ei kuitenkaan estä hartsin imeytymistä liitokseen ja juuri tämän vaikutusta 

sähköiseen liitokseen tullaan tässä lisätutkimuksessa mittaamaan. 

Testausmenetelmä ja sen tulokset 

Testattavia kappaleita tehtiin kahdenlaisia; johdinvyyhti jatkoliitoksella ja johto jatkolii-

toksella. Ensin mainitussa käytettiin Ounevan JHR-jatkoliitintä ja jälkimmäisessä ti-

natusta kuparista valmistettua jatkoliitintä (vakio). Johdinvyyhdin jatkoliitoksia oli kus-

sakin testikappaleessa kaksi kappaletta, yksi kummallekkin ulostulolle. Kumpaakin testi-

kappaletta valmistettiin tilastollisesti uskottavan tuloksen saamiseksi viisi kappaletta alu-

miinijohtimella ja kaksi kappaletta kuparijohtimella. Kuparijohtimilla tehtyjen testikap-

paleiden määrä oli pienempi siksi, että kyseisiä liitoksia tehdään kuparijohtimella tuotan-

nossa päivittäin ja näiden liitosten uskottiin olevan laadukkaita hartsauksesta riippumatta. 

Kaikille testikappaleille suoritettiin uppokyllästys samanaikaisesti samassa prosessissa. 

Uppokyllästyksen oletettiin siis olevan vastaavanlainen jokaisella suorituskerralla, sillä 

uppokyllästyksen tuotannon parametrit ovat jokaisella kerralla identtiset. Staattoripaket-

tien uppokyllästyksessä liitinalustalle vietävät johtimet jäävät hartsialtaan pinnan yläpuo-

lelle. Jatkoliitokset uppoutuvat kuitenkin hartsialtaaseen, jossa hartsi pääsee kulkeutu-

maan jatkoliitosten päällä olevan eristeen sisäpuolelle ja siten sähköiseen jatkoliitokseen 

asti. Kuvassa 16 on esitettynä testikappaleet häkissä, joka kiertää uppokyllästysprosessin.  



 50 

 

Kuva 16. Testikappaleet sidottuna kyllästysprosessin kiertävään häkkiin. 

Hartsausmenetelmiä on useita, joista Vaasan tehtaan tuotannossa käytetään uppo- ja va-

lutusmenetelmää. Alle 280-runkokoon moottoreiden staattoripaketit kyllästetään yleisesti 

uppokyllästyksellä, jota myös testikappaleiden kyllästyksessä käytettiin. Kyseisessä pro-

sessissa kyllästettävät kappaleet sijoitetaan kuvan 16 mukaiseen häkkiin, joka kiertää au-

tomatisoidussa prosessissa esilämmityksessä, uppokyllästyksessä, hyytelöinnissä, kove-

tuksessa ja viilennyksessä. Tässä prosessissa kyllästettävä kappale käy kuumimmillaan 

160 °C asteen kuumuudessa. 

Hartsattujen jatkoliitosten testausta jatkettiin lämpövanhennuskokeella, jossa hartsatut 

vyyhdit sijoitettiin kuvan 17 mukaisesti Vaasan ABB oy:n tehtaan tuotannossa sijaitse-

vaan ARS-1100 sääkaappiin. Testikappaleille toteutettiin standardin IEC 60068-2-14 

(Environmental testing – Part 2-14: Tests – Test N: Change of temperature) mukainen 

testi (Test Nb: Change of temperature with specified rate of change). Tämä testi määrittää 

komponenttien, laitteiden tai muiden esineiden kyvyn kestää ja toimia ympäristön läm-

pötilan muutoksen aikana. Standardin mukainen testisykli esitetään kuvassa 18 ja sen tar-

kemmat parametrit kyseisen kuvan jälkeisessä tekstissä. 



 51 

 

Kuva 17. Testikappaleet sijoitettuna ARS-1100 sääkaappiin. 

 

Kuva 18. IEC 60068-2-14 – Testi Nb testisykli. (IEC 2009: 15) 

Testisyklin lähtötilanteessa A testikappaleiden lämpötila on ympäristön lämpötilassa 

(noin 23 °C astetta). Ensimmäinen siirtymä lämpötilaan TA = 20 °C asetettiin kestämään 

15 minuuttia, jonka jälkeen pitoaika t1 tässä lämpötilassa asetettiin yhteen tuntiin. Tämän 

jälkeen siirtymä lämpötilaan TB = 100 °C toteutettiin 30 minuutissa, jonka jälkeen pito-

aika kyseisessä lämpötilassa oli jälleen yksi tunti. Tämän jälkeen testisyklin siirtymät 

kestivät aina 30 minuuttia ja pitoaika yhden tunnin esitetyissä lämpötiloissa. Yksi testi-

sykli kesti täten 3 tuntia. Syklejä toteutettiin 16 kertaa peräkkäin, jolloin lämpövanhen-



 52 

nuskokeen kokonaisaika oli 48 tuntia eli kaksi vuorokautta. Kahden vuorokauden testi-

syklejä suoritettiin kaksi kertaa, ja niiden välissä suoritettiin testikappaleiden vastusmit-

taukset. Kolmannelle ja neljännelle lämpövanhennuskokeelle TB nostettiin 120 °C astee-

seen, ja pitoajat laskettiin kolmeenkymmeneen minuuttiin. Tällöin yksi sykli kesti 2 tuntia 

ja syklejä toistettiin 24 kertaa, jolloin yhden lämpövanhennuskokeen kesto oli jälleen 

kaksi vuorokautta. Näitä tehtiin yhteensä kahdesti. 

Edellä esitettyjen testikappaleiden vastusmittaukset ennen ja jälkeen uppokyllästyspro-

sessin, sekä esitettyjen lämpövanhennuskokeiden jälkeen on esitettynä taulukossa 3. En-

simmäisenä on johdinvyyhtien (A-testikappaleet) vastusmittaukset ja toisena yksittäisten 

johdinten jatkoliitosten (B-testikappaleet) vastusmittaukset. Resistanssit mitattiin Hioki 

3540 HiTester -resistanssimittarilla. Vastusmittaukset pyrittiin aina suorittamaan mah-

dollisimman samassa lämpötilassa. Tämän takia mitatut resistanssit voivat vaihdella hie-

man ympäristön ja testikappaleen lämpötilan eroavaisuuksien takia. Tärkeintä on kuiten-

kin tutkia sähköisen kontaktin pysyvyyttä lämpövanhennuskokeen aikana. 



 53 

Taulukko 3. Testikappaleiden vastusmittaukset milliohmeina. 

Testi-

kappale 

Alku-

tila 

Hartsauk-

sen jälkeen 

1. lämpö-

vanhen-

nus 

2. lämpö-

vanhen-

nus 

3. lämpö-

vanhen-

nus 

4. lämpö-

vanhen-

nus 

A-Cu.1 6,21 6,21 6,21 6,21 6,19 6,22 

A-Cu.2 6,03 6,03 6,03 6,03 6,01 6,04 

A-Al.1 8,68 8,67 8,67 8,67 8,68 8,72 

A-Al.2 8,80 8,78 8,78 8,78 8,79 8,82 

A-Al.3 8,68 8,70 8,72 8,73 8,79 8,82 

A-Al.4 8,73 8,75 8,78 8,79 8,86 8,88 

A-Al.5 8,71 8,76 8,79 8,81 8,87 8,90 

B-Cu.1 173,2 172,8 172,4 172,8 172,0 172,8 

B-Cu.2 173,0 172,7 172,4 172,4 171,8 172,4 

B-Al.1 278,1 279,4 283,6 285,1 342 336 

B-Al.2 277,8 280,8 286,4 290,6 392 344 

B-Al.3 277,4 282,6 293,2 300,5 408 341 

B-Al.4 277,7 283,2 284,8 296,7 315 314 

B-Al.5 278,5 279,5 286,0 297,6 357 335 

Hartsauksen jälkeen johdinvyyhtien (A-testikappaleet) resistanssit pysyivät kuparilla täy-

sin samana ja alumiinilla vaihtelevat hieman. Yksittäisen johtimen liitoksen (B-testikap-

paleet) tapauksessa kuparin resistanssi säilyi samana (pieneneminen voidaan olettaa joh-

tuvan ympäristön lämpötilaeroista mittausten välillä), kun taas alumiinilla resistanssi kas-

voi hartsauksen takia noin 0,4–2,0 %. Molemmissa tapauksissa sähköiset liitokset säilyi-

vät, eikä mittavia resistanssin kasvuja havaittu. Hartsauksen jälkeisiä mittauksia tehtäessä 

yksi alumiinijohto katkesi sen päässä olevan jatkoliitoksen (josta resistanssit mitattiin) 

juuresta. Tämä kertoo, kuinka haurasta ja pehmeää materiaalia alumiini on, varsinkin kun 

tehdään yhden johtimen liitoksia, jossa johtimen paksuus oli tässä tapauksessa 1,12 mm. 



 54 

Lämpövanhennuskokeiden jälkeisissä vastusmittauksissa ei kuparijohtimista valmiste-

tuissa testikappaleissa havaittu resistanssin kasvua – jopa päinvastoin. Tämän voidaan 

olettaa kuitenkin johtuvan mittausten välisistä lämpötilaeroavaisuuksista. Voidaan siis to-

deta, että tuotannossa tällä hetkellä toteutettavat jatkoliitokset ovat laadukkaita. 

Alumiinijohtimista valmistetuilla testikappaleilla tilanne oli kuitenkin toisenlainen. Kah-

della ensimmäisellä A-testikappaleella resistanssi kasvoi alle puoli prosenttia, kun taas 

lopuilla resistanssi kasvoi 1,6–2,2 prosenttia. Tämä on linjassa myös Ojalan (2019: 58) 

mittaamalle noin 2,1 prosentin kasvulle lämpövanhennuskokeissa. Yhden johtimen jat-

koliitoksilla vastuksen kasvu on merkittävä kolmannen lämpövanhennuksen jälkeen. Mit-

tauksia tehtäessä huomattiin myös, että liitosta liikuteltaessa vastuksen arvo muuttui. 

Tästä voidaan päätellä, että kyseisissä testikappaleissa liitos on mahdollisesti löystynyt ja 

täten myös sähköinen liitos on heikentynyt huomattavasti. 

Tuloksista voidaan päätellä, että Ounevan JHR-jatkoliitin soveltuu hyvin alumiini- ja ku-

parijohtimille tehtäviin sähkömoottorin käämitysten jatkoliitoksiin. Uppokyllästyksen tai 

lämpövanhennuksen ei nähdä huonontavan sähköistä liitosta merkittävästi. Kyseinen me-

netelmä vaikuttaa siis olevan turvallinen ja toimiva ratkaisu käytettäväksi alumiinikäämi-

tyksien jatkoliitoksissa. Yhden alumiinijohtimen jatkoliitos ei kuitenkaan ole tämän lisä-

tutkimuksen mukaan suositeltavaa. Ensinnäkin alumiinijohdin on niin pehmeää, että yh-

den johtimen jatkoliitoksessa johdin voi katketa pelkässä normaalissa tuotannon käsitte-

lyssä. Toiseksi kyseinen liitos on altis sähköisen liitoksen heikentymiselle ikääntymisen 

myötä. 

3.5 Staattorikäämityksen materiaalikustannukset 

Tässä työssä ei tuoda esille prototyyppien todellisia kustannuksia, vaan esitetään alumii-

nikäämityksellä laskennallisesti saavutettavat kustannussäästöt. Kun oikosulkumoottorin 

passiivi- ja aktiiviosat pidetään vakioina riippumatta johdinmateriaalista, voidaan kustan-

nuksia tarkastella pelkästään staattorin osalta. Kyseisissä prototyypeissä käytetty sähkö-



 55 

levyjen materiaali M400-50A on sama kuin tuotannon vakiorakenteisessa oikosulku-

moottorissa. Vaikka uramuodon ollessa suurempi on staattorin sähkölevyn määrä pie-

nempi, kuluu sähkölevyjen valmistuksessa kuitenkin yhtä paljon materiaalia – vain tuo-

tetun romumateriaalin määrä muuttuu. Tällöin kustannuksen eroavaisuudet vakiossa ku-

parijohtimella käämityssä oikosulkumoottorissa ja vakiossa alumiinijohtimella käämi-

tyssä oikosulkumoottorissa voidaan keskittää kuparin ja alumiinin hintojen eroavaisuu-

teen. Edelleen, kuten alaluvussa 2.3.1 todettiin, kupari- ja alumiinijohdinten hinnat eivät 

kuitenkaan ole samassa suhteessa raakamateriaalien hintoihin. 

Esitetään laskennallisiksi materiaalien kustannuksiksi seuraavaa. Raakamateriaalin hinta 

kuparille oli vuoden 2020 alussa noin 5,6 €/kg ja alumiinille 1,64 €/kg. Alumiinin kilo-

hinta on siis noin 29,3 prosenttia kuparin kilohinnasta. Käämilangan hinnan tiedetään 

muuttuvan sen paksuuden mukaan. 1,25 mm paksuisen kupari- ja alumiinilangan kilohin-

nat selvitettiin, jotka tässä yhteydessä on jätetty kuitenkin ilmoittamatta. Prosentuaalisesti  

alumiinilangan kilohinta oli tässä tapauksessa kuitenkin noin 67,6 prosenttia kuparilan-

gan kilohinnasta. Raakamateriaalin ja käämilangan kilohintojen prosentuaalisessa erossa 

on nähtävissä täten selkeä ero. 

Adept-ohjelmiston mukaan työssä käytettävä vakiorakenteinen, IE4-hyötysuhdeluokan, 

kaksinapainen M3BP 225SMA -oikosulkumoottori sisältää 40,65 kilogrammaa kupari-

johdinta. Kun tilalle vaihdetaan sama lankamäärä saman paksuista alumiinilankaa niin 

kyseisen alumiinikäämityksen paino on 12,32 kilogrammaa. Käämilankojen hintojen 

avulla saatiin selville, että kyseisellä vakiorakenteella alumiinikäämityksen hinta on noin 

20 prosenttia kuparikäämityksen hinnasta. Huomiona toki, että alumiinikäämityksellä 

hyötysuhdeluokka on IE3, kun kuparikäämityksellä se on IE4. Korkeamman hyötysuh-

teen saavuttamiseksi tulee alumiinikäämityksen määrää kasvattaa staattoriurassa. Aino-

astaan käämilangan hinnan vertailu ei kuitenkaan anna kokonaiskuvaa koko moottorin 

kustannuksista. Täten oikosulkumoottorien välittömiä kustannuksia tullaan vertailemaan 

työn johtopäätöksissä. 



 56 

4 STAATTORIN URAMUODON OPTIMOINTI 

Alumiinijohtimen huonompaa sähkönjohtavuutta on mahdollista kompensoida kasvatta-

malla sen poikkipinta-alaa tai rinnakkaisten johdinten määrää staattoriurassa. Tämän to-

teuttamiseksi voidaan staattorin uramuotoa kasvattaa tietyissä rajoissa siten, että staatto-

riuraan mahtuu enemmän johdinmateriaalia. Tässä luvussa tutkitaan staattorin uramuo-

don optimointia käyttäen Adeptin Optimizer-työkalua. Tarkoituksena on optimoida ole-

massa olevaa ja vertailukohteena testattua uramuotoa suuremmaksi siten, että opti-

moidulla uramuodolla saavutettaisiin tutkittavalle prototyypille parempi hyötysuhde. 

4.1 Optimoinnissa käytetyt laskentaohjelmat 

Optimizer-työkalu perustuu monitavoitteelliseen optimointialgoritmiin SPEA2 (Zitler 

1999; Zitler, Laumanns ja Thiele 2001). Tällöin tapauksissa, joissa on useita tavoitteita, 

käyttäjän ei tarvitse luoda painoitusarvoa kullekkin tavoitteelle erikseen. Onnistuneena 

tuloksena käyttäjä saa Pareto-optimaalisen tulosten rintaman, jossa kukin tulos on yhtä 

hyvä annettujen tavoitteiden tilassa. Annetuista ratkaisuista käyttäjä saa valikoida lopul-

lisen valinnan, jolla on halutut tavoitteet. 

Optimointi voidaan toteuttaa käyttäen Adeptin eri laskentamenetelmiä. Optimizerin toi-

minnalle on kuitenkin tärkeää, että tuloksena saadaan sellaisia luettavia tuloksia, jotka 

täsmäävät Optimizer-työkaluun syötettyihin raja-arvoihin ja tavoitteisiin. Käytettävinä 

laskentamenetelminä toimivat joko analyyttisiin yhtälöihin perustuva S113-laskija tai 

elementtimenetelmään perustuva FCSmek-aliohjelma. Analyyttisiä menetelmiä käyttävä 

laskentatyökalu soveltuu parhaiten tunnettujen ja testattujen sähkömoottorirakenteiden 

laskemiseen, sillä se perustuu sähkömagneettisiin perusyhtälöihin. Laskennan tuloksia 

tarkennetaan ennestään samalla rakenteella testattujen tulosten perusteella. Elementtime-

netelmään perustuva FCSmek-aliohjelma taas soveltuu hyvin myös tuntemattomien ra-

kenteiden laskentaan. Tästä johtuen kyseistä aliohjelmaa tullaan myös tämän työn opti-

moinnissa soveltamaan. 



 57 

4.2 Lähtötilanteen tunnistaminen 

Uramuodon optimoinnin ei odoteta vaikuttavan merkittävästi roottorin synnyttämään 

käynnistys- tai huippumomenttiin eikä staattorikäämityksen synnyttämään käynnistysvir-

taan. Sen tiedetään kuitenkin vaikuttavan staattoriuraa ympäröivässä staattoriraudassa 

esiintyviin vuontiheyksiin. Kuvassa 19 on esitettynä työssä tutkittu uramuoto sekä tule-

vissa laskelmissa läpikäytäviä vuontiheyden laskentapisteitä. 

 

Kuva 19. Työssä tutkittava staattorin uramuoto ja sen ympäristössä tutkittavat suureet. 

Staattorin uramuodon optimoinnin merkittävin tarkoitus on luoda sitä ympäröivälle rau-

tasydämelle mahdollisimman tehokas magneettivuon etenemisreitti. Uran leveyden kas-

vattaminen pienentää staattorin hammasta ja täten kasvattaa sen vuontiheyden suuruutta. 

Myös uran korkeuden kasvattaminen suurentaa staattorin selän vuontiheyden suuruutta. 

Liian suuri vuontiheys sähkölevyssä aiheuttaa raudan kyllästymistä. Tämän takia opti-

moinnissa tullaan asettamaan kyseiset vuontiheydet laskennan raja-arvoiksi. Näin pyri-

tään pitämään vuontiheydet staattorin sähkölevyssä maltillisena, jolloin myöskään teho-

kerroin ei pääsisi alenemaan odottamattomasti. Adept laskee vuontiheydelle staattorin 

hampaassa neljä arvoa BTS1–BTS4 kuvan 19 mukaisesti. Vuontiheyksiä pystytään tut-

kimaan tarkemmin FCSmek-laskennalla, jolloin vuontiheys on määritetty jokaiselle ele-

menttiverkon osalle erikseen. 

 



 58 

FCSmek-aliohjelman laskentaprofiilia muokkaamalla voidaan vaikuttaa laskennan no-

peuteen ja tarkkuuteen. Optimointi on täten jaettu kahteen osaan, jossa aluksi tarkastel-

laan karkealla laskentaprofiililla Optimizer-työkalua hyväksi käyttäen Pareto-optimeja 

vaihtoehtoja ja tämän jälkeen lasketaan tarkemmalla profiililla tulokset kullekkin valitulle 

yksilölle. Tätä ennen esitetään vielä lyhyesti vakiorakenteisen moottorin laskennan tulos. 

Staattoriura on esitetysti kuvan 19 mukainen. Työssä ei tuoda esille tarkkoja uran mittoja, 

sillä näiden nähtiin olevan ABB oy:n sisäistä informaatiota. Täten on taulukossa 4 esitet-

tynä vakiouramuodolla valmistetun alumiinikäämillisen uramuodon mitat suhdelukuina, 

jossa työssä vakiona muutenkin pysyvä BSY1:n arvo on asetettu perusarvoksi. Suhdelu-

vut on tässä työssä esitetty kolmen desimaalin tarkkuudella. Myös prototyypin laskennal-

liset arvot on samassa taulukossa esitettyinä. Todettakoon myös, että kuparijohtimella 

samalla rakenteella saavutettaisiin laskennallisesti 95,2 prosentin hyötysuhde. Myös täy-

tekerrointa on tärkeää tarkkailla, sillä liian alhainen täytekerroin huonontaa hyötysuhdetta 

ja liian suuri täytekerroin voi olla mahdotonta toteuttaa. Tässä rakenteessa tavoiteltu täy-

tekerroin on noin 0,66. 

Taulukko 4. Vakiorakenteisen prototyypin lähtöarvot ja laskennalliset arvot. 

BSY1 BSI1 BSO1 HSN1 

Hyöty-

suhde 

(%) 

Teho-

ker-

roin 

BTS4 

(T) 

BTS3 

(T) 

BTS2 

(T) 

Täyte-

ker-

roin 

1 2,079 3,079 5,434 94,422 0,8915 1,452 1,284 1,105 0,6616 

4.3 Optimoinnin toteutus 

Pareto-optimin uramuodon löytämiseen käytetyssä Optimizer-työkalussa käyttäjän on 

mahdollista syöttää optimoitavat suureet, laskenta-aluetta rajaavat rajoitteet sekä tulok-

sissa toivotut tavoitteet. Optimoitaviksi suureiksi valittiin uramuodon leveyttä ja kor-

keutta määrittävät BSI1, BSO1 sekä HSN1. Staattoriuran avauma BSY1 pidettiin va-

kiona, sillä sen muokkaaminen johtaisi ilmavälin mahdolliseen muokkaamiseen ja täten 



 59 

roottorin muokkaamiseen. Laskennan rajoitteiksi valittiin staattorin hampaissa vaikutta-

vat vuontiheyden arvot BTS4 ja BTS2. Laskennan tavoitteiksi asetettiin sekä hyötysuh-

teen että tehokertoimen maksimointi. Tällöin optimoinnin tuloksen saataisiin sellainen 

pareto-optimi rintama, josta voidaan valita maksimaalinen hyötysuhde ilman liian suuria 

vuontiheyksien kasvuja. Kuvassa 20 on esitettynä Optimizer-työkalun näkymä. 

 

Kuva 20. Optimizer-työkalun näkymä suureiden, rajoitteiden ja tavoitteiden määritte-

lyä varten ensimmäisellä optimointikerralla. Kuvasta on piilotettu uran tar-

kemmat mitat. 

Kuvan 20 ylimmässä osiossa näkyy optimoitavien suureiden määritys. Tässä osiossa ase-

tetaan kyseisille suureille minimi- ja maksimiarvot sekä askel jonka suuruudella suureet 

muuttuvat. Keskimmäisessä osiossa on asetettu laskentaa rajoittavat rajoitteet, jossa 

vuontiheyksien maksimiarvoiksi on asetettu 1,6 T. Alimmassa osiossa on toteutettavan 

optimoinnin tavoitteet. Kyseisellä optimoinnilla saatiin tuloksena kuvan 21 mukainen pa-

reto-optimi rintama. 



 60 

 

Kuva 21. Optimoinnin tuloksena saatu pareto-optimi rintama, jossa pystyakselilla on 

tehokerroin ja vaaka-ak