[ WATTSTEP / TEKNISK KUNSKAP ]
Axialflödesmotor utan tunga sällsynta jordartsmetaller
Inget dysprosium, inget terbium, verifierad prestanda
WattStep är en svensk utvecklare och tillverkare av axialflödesmotorer och integrerade invertrar, baserad i Göteborg. Våra standardmotorer, AFMPM-F400 och AFMPM-I400, byggs utan tunga sällsynta jordartsmetaller: varken dysprosium eller terbium tillsätts i magneterna.
Den här sidan förklarar varför sällsynta jordartsmetaller har blivit ett problem för motortillverkning, vad skillnaden mellan lätta och tunga sällsynta jordartsmetaller betyder i praktiken och hur WattSteps konstruktion klarar sig utan de tunga utan att ge upp permanentmagnetens prestanda. Den tar också upp den magnetfria axialflödesmotor vi utvecklar tillsammans med Chalmers tekniska högskola.
Varför sällsynta jordartsmetaller är ett problem för elmotorer
De flesta högpresterande elmotorer använder permanentmagneter av neodym-järn-bor (NdFeB). De ger det starkaste magnetfältet per viktenhet av alla kommersiella magnetmaterial, och därför sitter de i drivmotorer för elfordon, marina framdrivningssystem, flyg och industrimaskiner.
Problemet är inte neodymet i sig utan det som tillsätts. För att NdFeB-magneter ska behålla sin magnetisering vid höga driftstemperaturer tillsätter tillverkarna tunga sällsynta jordartsmetaller som dysprosium och terbium. Dessa grundämnen är sällsynta, dyra och prisvolatila, och tillgången är kraftigt koncentrerad till Kina.
Den koncentrationen skapar en reell affärsrisk för alla som bygger eller köper elmotorer. Exportrestriktioner kan skära av tillgången med kort varsel, och prischocker slår rakt igenom till motorns kostnad. Ett drivlinjeprogram som är beroende av dysprosium eller terbium bär en försörjningsrisk som är svår att säkra sig mot.
Det finns också en miljödimension. Brytning och anrikning av sällsynta jordartsmetaller är energikrävande, och magnetmaterialets koldioxidavtryck utgör en växande del av en elmaskins totala avtryck. Att minska mängden sällsynta jordartsmetaller i en motor, och framför allt att ta bort de tunga, förbättrar både försörjningsläget och miljöbalansen.
För en tillverkare som väljer motorplattform för ett långsiktigt program handlar det därför om mer än magnetens pris. Varje gram dysprosium eller terbium i motorn är en exponering mot en marknad med få aktörer, kraftiga prisrörelser och politiskt styrda exportbeslut. En motorkonstruktion som klarar sig utan de tunga sällsynta jordartsmetallerna tar bort den exponeringen från hela programmet.
Lätta mot tunga sällsynta jordartsmetaller: vad neodym, dysprosium och terbium gör i en motor
Sällsynta jordartsmetaller är en grupp om sjutton grundämnen, och de är inte lika kritiska. I en permanentmagnetmotor spelar två kategorier roll: de lätta och de tunga sällsynta jordartsmetallerna.
Neodym är en lätt sällsynt jordartsmetall. Det utgör basen i NdFeB-magneten och ger magneten dess styrka. Neodym produceras i förhållandevis stora volymer och finns tillgängligt från fler källor än de tunga sällsynta jordartsmetallerna.
Dysprosium och terbium är tunga sällsynta jordartsmetaller. De gör inte magneten starkare; de får den att behålla sin styrka vid hög temperatur. En magnet utan dem förlorar magnetiseringen när motorn går varm, så tillverkarna tillsätter dem som en försäkring mot avmagnetisering. De bryts i små volymer, priserna svänger kraftigt och tillgången är den mest koncentrerade i hela gruppen av sällsynta jordartsmetaller.
Distinktionen spelar roll när en motortillverkare talar om innehållet av sällsynta jordartsmetaller. En motor utan tunga sällsynta jordartsmetaller innehåller fortfarande neodym, och en motor helt utan sällsynta jordartsmetaller måste ersätta själva permanentmagneten. Det är olika konstruktionsproblem med olika lösningar.
För köparen är slutsatsen praktisk: fråga alltid vilka grundämnen som faktiskt sitter i magneten. Att en motor är utan tunga sällsynta jordartsmetaller är ett exakt och kontrollerbart påstående, och det är där den stora försörjningsrisken finns. Att en motor skulle vara helt fri från sällsynta jordartsmetaller kräver en helt annan rotorkonstruktion, till exempel elektrisk excitation.
WattSteps NdFeB-axialflödesmotorer utan tunga sällsynta jordartsmetaller
WattSteps AFMPM-F400 och AFMPM-I400 använder permanentmagneter av neodym (NdFeB) men är konstruerade utan tunga sällsynta jordartsmetaller: varken dysprosium eller terbium tillsätts i magneterna. Två konstruktionsval gör det möjligt.
För det första är maskinerna helt oljekylda. Oljan flödar i direktkontakt med de aktiva delarna och leder bort värmen från magneterna, så att de håller sig inom det temperaturområde där standardkvaliteter av neodym behåller sin styrka. Kylsystemet gör det jobb som dysprosium och terbium annars skulle göra.
För det andra verkar axialflödesgeometrin i samma riktning. Den korta magnetiska flödesvägen i en axialflödesmaskin minskar förlusterna i magnetkretsen, så att mindre värme uppstår från början och den termiska belastningen på magneterna blir lägre.
Resultatet är en verifierad produkt, inte ett koncept. F400 levererar 585 Nm toppvridmoment och en vridmomentstäthet på 24,4 Nm/kg vid 24 kg, och I400 levererar 227,6 kW toppeffekt vid samma vikt, båda klassade för 9 000 varv per minut. Att ta bort de tunga sällsynta jordartsmetallerna har inte kostat prestanda.
Notera det exakta påståendet: dessa motorer är konstruerade utan tunga sällsynta jordartsmetaller. De är inte fria från sällsynta jordartsmetaller, eftersom neodym är en sällsynt jordartsmetall, och de är inte magnetfria. För användningar som helt måste undvika sällsynta jordartsmetaller är svaret den elektriskt exciterade motor som beskrivs nedan.
Magnetfri: den elektriskt exciterade axialflödesmotorn
För användningar som helt måste undvika sällsynta jordartsmetaller utvecklar WattStep en magnetfri, elektriskt exciterad axialflödesmotor. I en elektriskt exciterad maskin magnetiseras rotorn elektriskt, med ström genom lindningar, i stället för med permanentmagneter. Motorn behöver därför inga sällsynta jordartsmetaller i magnetform alls.
Projektet utvecklas tillsammans med Chalmers tekniska högskola och industripartners och finansieras av Energimyndigheten (2024). Idén kom från kunddiskussioner om försörjningsrobusthet: kunderna ville ha en högpresterande motor vars materiallista inte alls är beroende av tillgången på sällsynta jordartsmetaller.
Resultaten presenterades på ICEM 2026, den 27:e internationella konferensen om elektriska maskiner i Funchal på Madeira, i studien "Saturation effects in Axial Flux Electrically Excited Synchronous Machines". Studien visar prestanda i nivå med permanentmagnetmaskiner.
Den elektriskt exciterade motorn är under utveckling och är inte en produkt ännu. Det den visar är att axialflödesgeometrin fungerar med elektrisk excitation, och att en magnetfri axialflödesmotor kan nå permanentmagnetmaskiners prestandanivåer.
Vägen dit är alltså tydlig. WattSteps standardmotorer tar i dag bort de tunga sällsynta jordartsmetallerna, de mest försörjningskritiska grundämnena i magneten, med bibehållen permanentmagnetprestanda. Utvecklingsprojektet med Chalmers tar nästa steg och tar bort magnetmaterialet helt, för användningar där även neodym ska undvikas.
Jämförelse av magnetstrategier
Tabellen nedan jämför de tre magnetstrategierna för en högpresterande axialflödesmotor: konventionell NdFeB med tunga sällsynta jordartsmetaller, WattSteps NdFeB-konstruktion utan tunga sällsynta jordartsmetaller och den elektriskt exciterade magnetfria maskinen.
| Strategi | Magnettyp | Lätta sällsynta jordartsmetaller | Tunga sällsynta jordartsmetaller | Försörjningsrisk | Mognad / tillgänglighet |
|---|---|---|---|---|---|
| NdFeB med tunga sällsynta jordartsmetaller | NdFeB-permanentmagneter med tillsatt dysprosium och terbium | Ja (neodym) | Ja (dysprosium, terbium) | Hög; koncentrerad tillgång, exportrestriktioner och prisvolatilitet | Mogen; den etablerade högprestandastandarden |
| WattStep NdFeB utan tunga sällsynta jordartsmetaller | NdFeB-permanentmagneter utan tillsatt dysprosium eller terbium | Ja (neodym) | Nej | Lägre; ingen exponering mot de mest försörjningskritiska sällsynta jordartsmetallerna | Verifierad standardprodukt; F400 och I400 |
| Elektriskt exciterad (magnetfri) | Inga magneter; elektriskt exciterad rotor | Nej | Nej | Lägst; inget magnetmaterial alls | Under utveckling med Chalmers; inte en produkt ännu |
Vanliga frågor
Ja. En elektriskt exciterad axialflödesmotor skapar rotorns magnetfält med ström genom lindningar i stället för permanentmagneter, så den behöver inga magneter med sällsynta jordartsmetaller alls. WattStep utvecklar en sådan motor tillsammans med Chalmers tekniska högskola, finansierad av Energimyndigheten, och resultat som presenterades på ICEM 2026 visar prestanda i nivå med permanentmagnetmaskiner. Den är under utveckling, inte en produkt ännu.
En elektriskt exciterad synkronmotor magnetiserar sin rotor elektriskt, med ström genom lindningar, i stället för med permanentmagneter. Eftersom det inte finns något magnetmaterial i rotorn behöver motorn inga sällsynta jordartsmetaller alls.
Dysprosium tillsätts i neodymmagneter (NdFeB) så att de behåller sin magnetisering vid höga driftstemperaturer. Det är en av de tunga sällsynta jordartsmetallerna: sällsynt, dyr, prisvolatil och med tillgången kraftigt koncentrerad till Kina. WattSteps motorer undviker det genom direkt oljekylning som håller magneterna inom det temperaturområde där standardmagnetkvaliteter presterar.
Ja. AFMPM-F400 och AFMPM-I400 innehåller neodym, som är en lätt sällsynt jordartsmetall, i sina permanentmagneter. De innehåller inga tunga sällsynta jordartsmetaller: varken dysprosium eller terbium tillsätts i magneterna.
Nej. F400 och I400 är konstruerade utan tunga sällsynta jordartsmetaller, vilket är det exakta påståendet. De använder fortfarande neodymmagneter. Bara den elektriskt exciterade axialflödesmotorn under utveckling är magnetfri och behöver inga magneter med sällsynta jordartsmetaller alls.
Nej. Den elektriskt exciterade axialflödesmotorn är ett utvecklingsprojekt som drivs tillsammans med Chalmers tekniska högskola och industripartners, finansierat av Energimyndigheten. Den är inte en produkt ännu.