Man skulle tro at det meste som kunne klemmes ut av en elektromotor allerede var gjort, men Alva Motor Solutions i Trondheim jobber med ny teknologi som kan få mer ut av den. Selskapet som springer ut fra NTNU har utviklet en ny produksjonsteknologi som gjør det mulig å lage elektriske motorer og generatorer med egenskaper som tidligere har vært uoppnåelige.
Hemmeligheten ligger i produksjonsteknologien for statoren, såkalt FiberPrinting. Metoden gjør at man kan pakke kobberviklinger veldig effektivt på en skalerbar og svært fleksibel måte, uten bruk av jern. Resultatet er statorer som støtter høyere ytelser enn i en vanlig elmotor.
Selskapet er nå med i et europeisk prosjekt verdt 20 millioner kroner, for å utvikle en høyytelsesmotor for store industrielle droner og elektriske fly sammen med to tyske partnere. Samtidig jobber de mot applikasjoner som vindkraft, der Alva har blitt støttet med fem millioner kroner av Forskningsrådet, og aktuatorer, samt kommersialisering av en bred portefølje standardmotorer for en rekke ulike industrier.
– Markedet for elmotorer er på over 1000 milliarder kroner årlig, og det øker med elektrifiseringen i stadig flere sektorer. Denne utviklingen fører også med seg et behov for stadig bedre løsninger. Med dagens teknologi er det dyrt og tidkrevende å utvikle spesialtilpassede motorer. Dette gjør at de fleste velger middelmådige standardløsninger som aldri vil nå helt opp til potensialet, sier administrerende direktør og gründer i Alva, Jørgen Selnes.
- Unik motorsykkel: Har navløst bakhjul og elmotor i felgen
Patentert fiberprinting
– Vi så et stort behov for en fleksibel og skalerbar metode for å produsere elektriske motorer og generatorer med bedre ytelse. Løsningen ble det vi har kalt FiberPrinting. Nå har vi fått norsk patent og skal videreføre den til resten av verden, Selnes.
I moderne elmotorer er det statoren som er den aktive delen av motoren. Som det framgår av navnet står den i ro, mens rotoren roterer. Den tradisjonelle måten å bygge statorer på har vært å vikle kobbertråd rundt en kjerne av jernplater. Ved å sende strøm gjennom viklingene fungerer statoren som en rekke elektromagneter som trekker rotoren rundt.
– Jern har naturligvis mange fordeler i en elmotor, som å øke dreiemomentet og fungere som varmeleder, men i mange applikasjoner er jern noe man ønsker å unngå. Det øker motorens vekt og reduserer virkningsgraden. Dessuten resulterer det i støy og vibrasjoner, tregere reaksjon, dårligere presisjon, og en haug med andre ulemper, sier Selnes.
Løsningen er såkalte jernløse motorer, der statoren kun inneholder kobberledere viklet til en selvbærende konstruksjon og er støpt i en epoxy. Ulempen med slike motorer i dag er at statoren inneholder relativt lite kobber i forhold til statorvolumet, noe som resulterer i veldig lavt dreiemoment. Det skal metoden til Alva endre på.
– Vanlige jernløse motorer har gjerne 20 til 30 prosent kobber i statoren. Våre statorer har i dag over 40 prosent, men vi tester nye konstruksjoner som har over 60 prosent, sier han.
- Til elmotoren tar over: Slik fungerer fremtidens stempelmotor
Printer statorer
FiberPrinting som også er det nye merkenavnet, ble oppfunnet av Selnes i 2016. Metoden kombinerer designprosesser av elektriske maskiner med produksjonsteknikker fra noe så gammelt og velkjent som tekstilproduksjon. I stedet for å vikle eller spinne kobbertråd rundt en bærende konstruksjon priter de kobbertråden på en spesiell måte sammen med strukturelle fibre. Fibrene kan være glass- eller karbonfiber, eller et hvilket som helst annet fiberbasert materiale som bidrar til forbedret mekanisk, termisk eller elektromagnetiske egenskaper. Deretter formes kobbermatten til en stator før den støpes i en epoxy som, sammen med fibrene, gir stor strukturell styrke og stabiliserer det høye innholdet av kobberledere.
Bakgrunnen for FiberPrinting er et utgått NTNU-patent, EMCM – Electromagnetic Composite Material, tatt ut av Martin Gudem Ringdalen. Han beskrev et materiale som kunne brukes i motorer og generatorer for å redusere vekt og øke ytelsen ved å kombinere fibre med ulike egenskaper. I 2016 spilte han idéen inn til Entreprenørskolen ved NTNU, der studenter blir utdannet til å ta fatt på en rekke utfordringer for å bygge kompetanse innen forretningsutvikling.
– Jeg ønsket tidlig å finne en løsning på verdens energiproblematikk, så da Gudem presenterte idéen sin mens jeg gikk i 4. klasse på Entreprenørskolen var jeg solgt. Jeg startet Alva for å løse hovedutfordringen med konseptet: Hvordan kan et slikt materiale produseres på en effektiv og skalerbar måte? Det var ikke lett, men et halvt år senere våknet jeg opp på natten med en fantastisk idé, og siden den gang har vi ikke sett oss tilbake, sier Selnes.
- Nye arbeidsplasser: Strømkilden til dette hybridflyet utvikles i Trondheim
Det beste av to verdener
Jernløse motorer er en lite kjent motortype i industrien, til tross for sine fremragende egenskaper som redusert vekt, høyere virkningsgrad, bedre presisjon og ikke minst mindre støy og vibrasjoner. Grunnen, mener Selnes, er at det lave dreiemomentet i slike motorer har hindret dem fra å bli utnyttet i de virkelig store industriene.
– Vanligvis er slike motorer forbeholdt applikasjoner med mer finurlige krav enn kun rå kraft, som presisjons- og produksjonsutstyr, optikk, robotikk og medisinsk utstyr. Våre motorer har de samme gode egenskapene som andre jernløse motorer, men med mye høyere dreiemoment. Da åpnes en rekke markeder som tidligere ikke har kunnet ta i bruk slike motorer, som fly, båter, biler og vindturbiner, sier Selnes.
- Designer fremtidens elektriske flymotor: Maks virkningsgrad og minimal støy (TU Ekstra)
Spesialiserer seg på statoren
Selv om navnet Alva Motor Solutions kan tyde på at dette er et selskap som utvikler fullstendige motorer er det bare delvis riktig. De fleste motorkomponentene leveres av eksterne produsenter før de settes sammen til fullstendige produkter i Trondheim.
– Vi selger fullstendige motorløsninger, men statoren er den eneste komponenten vi produserer selv. Dette gjør at vi kan konsentrere oss som det som er aller viktigst, nemlig å holde svært høy kvalitet. Vi utfører alltid kvalitetssjekk på leverandørene våre for å forsikre oss om at alle komponenter svarer til våre krav.
Alva har nå ni fulltidsansatte som er lokalisert ikke langt unna Gløshaugen på Sluppen i Trondheim. Nå rigger de seg for å levere produkter i et kommersielt marked og bygger en fleksibel produksjonslinje for ti standardmodeller i ulike størrelser og antall, den såkalte A-serien.
Lanserer neste år
Ifølge Selnes vil serien dekke ytelser fra 10W til 10kW, opp til 20Nm kontinuerlig dreiemoment og med en virkningsgrad opptil 95 prosent.
– De fleste som utvikler produkter med integrerte elmotorer vet hvor viktig motorene er for ytelsen til systemet. Mange velger billige motorer fra Kina, men vi satser i den andre enden av markedet, der ytelse er viktigere enn pris, sier han.
Ved NTNU synes man det Alva holder på med, virker spennende.
– Ideen om en liknende type statorkonstruksjon er ikke ny, men det ser ut som om dette selskapet har funnet en smart måte å løse utfordringen på ved å kombinere kompetanse fra elektro- og mekanikkmiljøer, sier professor ved Institutt for elkraftteknikk ved NTNU, Robert Nilssen.
Han mener at et kobberinnhold på 40 prosent i en stator er bra, og at det vil være særdeles bra om de klarer 60 prosent.
– Klarer de det, kan dette bli en viktig komponent i et segment av et fremtidig marked for elektromotorer, sier Nilssen.
