Nestejäähdytetty kestomagneettisähkökone – perustutkimuksesta ja onnekkaista sattumista nipuksi patentteja

Koneet pyörittävät maailmaa, ja koneet puolestaan pyörivät polttomoottoreiden sijaan yhä useammin sähköllä. Sähköistymiseen ajavat isot systeemiset muutokset, kuten vaatimus liikenteen päästöjen radikaalista vähentämisestä. LUT tuottaa tutkimuksellaan materiaaliviisaita ja vähäpäästöisiä ratkaisuja, myös esimerkiksi laivaliikenteeseen.

Sähkönkäyttötekniikan professori Juha Pyrhönen on tutkinut energiatehokkaita sähkökoneita jo usealla vuosikymmenellä. Pyrhösen tutkimusryhmän keskeiseltä sovellusalueelta, tuuliturbiinien kestomagneettikoneista, sai alkunsa hiljattain valmistunut nestejäähdytetty kestomagneettisähkökone.

Pyrhösen ryhmässä oli tarve selvittää kestomagneettikoneiden jäähdyttämistä ilmajäähdytyksen sijaan nestejäähdytyksellä, jotta koneiden fyysistä kokoa voitaisiin merkittävästi pienentää. Useita LUTin nimissä patentoituja ratkaisuja sisältävä kone syntyi monen tutkimusryhmän yhteistyönä.

Konetekniikan professori Aki Mikkola kuvailee uudessa koneessa yhdistyviä etuja.
"Kestomagneetit ovat yleensä koneiden kalleimmat komponentit. Tehokkaasti jäähdytettynä pienemmällä koneella voidaan saada sama teho, jolloin kustannusvaikutus on merkittävä. Koneiden käämien jäähdyttäminen on tehokasta toteuttaa nestejäähdytyksellä, sillä ilmajäähdytys asettaa ulkoisille olosuhteille paljon vaatimuksia." 

Mikkola mainitsee käyttökohteeksi laivat, joissa koneet sijaitsevat alhaalla rungossa, missä ilmanvaihto on haastava toteuttaa.

"Laivaliikenne on myös esimerkki toimialasta, jossa on käynnissä iso murros. Hybridikäytöt tai peräti kokonaan sähkökäyttöiset laivat ovat kasvava trendi, sillä joihinkin satamiin ei saa enää saapua dieselmoottoreita käyttäen."

Koneenrakennuksessa painon puolittuminen tuo merkittävän kustannussäästön

Mikkolalta ja muilta konetekniikan tutkijoilta toivottiin apua valmistamaan prototyyppi, jossa nestejäähdytystä voitaisiin testata normaalia suuremmassa laboratorioprototyypissä. Koneen rungon valmistus päädyttiin toteuttamaan toisiinsa sidotuista teräksisistä ohutlevyistä. Toteutettu rakenne ei vaadi hitsaamista, ja kokonaispaino jää noin puoleen perinteisen rakenteen painoon verrattuna.

"Koneenrakennuksessa tuotteen hinta liittyy pitkälti painoon: mitä painavampi kone, sitä kalliimpi valmistaa. Perinteinen tapa on liittää hitsaamalla yhteen paksuja kappaleita. Saumat ovat kuitenkin aina vaarassa väsyä, ja vaativat tarkkailua. Esimerkiksi tuuliturbiinin naselliin eli konehuoneeseen nostettavassa koneessa kokonaispaino ja väsymisvaurioiden välttäminen ovat keskeisiä kriteerejä."

Mikkola jatkaa, että ohutlevyrakenteen huomattiin myös omaavan erinomaiset vaimennusrakenteet – ja tämä tapahtui hänen mukaansa "täysin vahingossa".

"Tämä on yksi parhaista asioista tutkijan työssä: onnekkaat sattumat voivat johtaa mahtaviin löydöksiin. Laminoitujen, yhteen sidottujen teräslevyjen havaittiin vaimentavan tehokkaasti värähtelyä jo alkulähteillä. Levyjen välillä on rakenteen sisäisiä kitkoja, jotka vaimentavat koneen värinöitä."

Onnekkaat sattumat voivat siis yllättää ja nopeuttaa kehitystä. Mikkola kuitenkin muistuttaa perustutkimuksesta syntyvän, radikaalisti uuden tekniikan luomisen olevan hidasta. Kymmenen vuoden aikajänne uudesta tutkimusavauksesta kaupalliseksi tuotteeksi on usein realismia.

"Perustutkimusta ja sinnikkyyttä tarvitaan. Pyrhösen Juhan kaltaiset pitkän linjan tekijät eivät ehkä nouse julkisuuteen, mutta mahdollistavat paljon niin tutkijayhteisössä kuin yrityssovelluksissakin", päättää Mikkola.

Katso video, jossa koneen kehityksessä keskeinen LUTin tutkija, yhdysvaltalainen Scott Semken kertoo sen ominaisuuksista (video on englanninkielinen).

LUTin patenttisalkku vauhdittaa yritysten kilpailukykyä

LUT on panostanut teollisten oikeuksien suojaamiseen jo pitkään. Patentoinnille potentiaalisia keksintöjä syntyy vuosittain yli 50, ja näistä jätetään patenttihakemuksia noin parikymmentä. Patenttisalkkua hoitaa LUTin tutkimuskiihdyttämö Green Campus Open.

"Salkussamme on globaalisti patentoituja patenttiperheitä LUTin tutkimuksen keskeisimmiltä alueilta, erityisesti energia-, sähkö-, ympäristö- ja prosessitekniikasta. Patentteja sekä lisensoidaan että myydään yliopistolta eteenpäin. Tavoitteenamme on tukea erityisesti kotimaisen teollisuuden kilpailukykyä kansainvälisillä markkinoilla", kertoo Lauri Haiko, Green Campus Openin johtaja.

Haiko jatkaa, että patentteja hyödyntävät niin tutkimuksesta syntyvät uudet yritykset kuin markkinoilla jo pidempään toimineet teollisuusyrityksetkin. Tieteen rajapinnoilta syntyvät ratkaisut soveltuvat usein moneen muuhunkin, kuin siihen haasteeseen mihin ratkaisua alun perin haettiin.

"Yritysten kanssa käymissämme keskusteluissa potentiaali eri toimialoille tunnistetaan joskus hyvinkin nopeasti, ainakin tehokkaammin kuin pelkkiä patenttitietokantoja selaamalla. Meiltä voi mikä tahansa yritys tai kuka tahansa uutta yritystä suunnitteleva pyytää esittelyä tutkimustuloksista ja syntyneistä oikeuksista, sillä meidän tehtävämme on vauhdittaa teknologian siirtymistä salkusta sovelluksiin."

"Nestejäähdytetystä kestomagneettisähkökoneesta tehty video käynnisti välittömästi muutamia keskusteluja siihen liittyvien patenttien kaupallisesta hyödyntämisestä", Haiko päättää tuoreella esimerkillä.

Lisätietoja:

Lauri Haiko, johtaja, LUTin tutkimuskiihdyttämö Green Campus Open, 040-5293925, lauri.haiko@lut.fi
Aki Mikkola, professori, LUT-yliopisto, 040-7363095 Aki.Mikkola@lut.fi
Juha Pyrhönen, professori, LUT-yliopisto, 040 571 1645, juha.pyrhonen@lut.fi