Tardamotive LWLC Electrical Drives

Sähkömoottoriteollisuuteen vääntöä uudesta vesijäähdytteisestä arkkitehtuurista

LUT:n koneensuunnitteluosastolla on kehitetty uusi sähkömoottori, joka kykenee tuottamaan suuren vääntömomentin ilman vaihdelaatikon käyttöä. Lisäksi moottori on koottu teräspalikoista legomaiseen tapaan ja sitä jäähdytetään vedellä. Ratkaisu on nykyisiä käytössä olevia moottoreita edullisempi ja luotettavampi.

Tutkijat ja tuotekehitysinsinöörit ovat jo kauan pohtineet sitä, minkälaisia sähkökäytöt voisivat olla. Yleisimmässä tälläkin hetkellä laajasti käytössä olevassa ratkaisuissa moottorin akseli on kiinni vaihdelaatikossa, joka laskee kierrosnopeutta. Tässä mallissa huonoja puolia ovat ongelmat vaihdelaatikon luotettavuuden kanssa sekä järjestelmän kalleus.

LUT:n tutkijoiden kehittämä moottori puolestaan toimii ilman vaihdelaatikkoa. Laatikon puuttuminen kuitenkin tekee perinteisesti moottorista huomattavasti isomman kuin vaihdelaatikon kanssa.

Ratkaisu moottorin järkevissä mittasuhteissa pitämiseen löytyy moottorin jäähdyttämisestä. LUT:n rakentamaa moottoria jäähdytetään vedellä, eikä ilmalla, kuten perinteisiä moottoreita. Jäähdytys tapahtuu käämistön sisäisellä suoranestejäähdytyksellä. Jäätymisenesto toteutetaan hyödyntämällä vesi-glyseroliseosta.

Voisi luulla, että veden ja sähkön yhdistäminen ei ole hyvä asia, mutta tutkijoiden mukaan siinä on selkeitä hyötyjä nykymalleihin verrattuna. Vesijäähdytys antaa mahdollisuuden parantaa kestomagneettimoottorin voimantuottokykyä ja siten pienentää moottorin kokoa. Jäähdytysjärjestelmä on toteutettu suljetulla kierrolla.

Kuva. Tämä 500 kW LWLC-moottori tuottaa 100 kN-m vääntömomentin 50 rpm kierrosnopeudella.

"Vedellä jäähdyttäminen ei aiheuta mitään ongelmaa. Aika monessa laitteessa nykyisin, esimerkiksi polttomoottoreissa, käytetään vesijäähdytystä. Putkissa, jotka johtavat vettä, ei ole mitään liitoksia ja ne sijaitsevat moottorin ulkopuolella. Jos se vuotaa, se vuotaa koneen ulkopuolella, jolloin veden aiheuttamaa riskiä ei ole," kertoo moottoria kehittänyt professori Aki Mikkola.

Moottorin toinen erikoispiirre on se, että sen pyörärakenne on tehty "legopalikoista": teräslevyistä, jotka on jousikiinnitetty. Menetelmällä saadaan rakennettua isoja ja kestäviä rakenteita ilman, että isoja levyosia hitsataan toisiinsa kiinni. Näin vältetään hitsattuihin rakenteisiin liittyvät väsymisongelmat sekä yksinkertaistetaan moottorin valmistusprosessia.

Yllättäen legorakenteen ei pitänyt alun perin olla lopullinen ratkaisu.

"Hyödyt selvisivät meille ihan vahingossa. Alun perin meidän piti vain tehdä pienoismalli rakenteesta. Koska pienoismallia on vaikea hitsata, päätimme tehdä sen levyrakenteista. Kun malli valmistui, huomasimme sen käytöksessä jotain positiivisella tavalla outoa suhteessa laskentamalleihin".

Outo käytös oli suuri mekaaninen vaimennus.  Toisin sanoen, malli vaimentaa pois rakenteen värähtelyongelmat. Näin moottorin toiminta saadaan tasaiseksi, eikä se kärsi väsymisvaurioista.  

Tällä hetkellä uutta sähkökonearkkitehtuuria kehitetään Tekesin rahoittamassa Tutkimusideoista uutta tietoa ja liiketoimintaa (TUTLI)-hankkeessa. Hankkeessa selvitetään teknologian kaupallisia mahdollisuuksia. Jo löydettyjä potentiaalisia sovelluskohteita ovat sekoittimet, murskaimet, tuuliturbiinit ja telakkateollisuus.