Suuntana sähkökonelaskenta

Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulun sähkö- ja automaatiotekniikan opiskelija Jesse Kurronen teki opinnäytetyönään sähkömagneettisen suunnittelun kestomagneettitahtikoneelle, jota voitaisiin käyttää Superkart-sarjassa. Sähkökoneiden suunnittelu on tänä päivänä tärkeää koko ajan sähköistyvän yhteiskunnan takia.

Opinnäytetyöni aiheena oli kestomagneettitahtikoneen sähkömagneettinen suunnittelu Superkart-autoon. Tavoitteena oli sähkömagneettisesti suunnitella suorituskyvyltään kilpailukykyinen kestomagneettitahtikone Superkart-sarjassa kilpailevaan autoon.

Opinnäytetyöprosessi sai alkunsa omasta kiinnostuksestani opinnäytetyön aihetta kohtaan, ja hyväksytin opinnäytetyön aiheen hyvissä ajoin valvovalla ohjaajalla. Sähkökonesuunnittelua ei opeteta Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulussa, joten työtä varten opiskelin sähkökoneen suunnittelua lukemalla väitöskirjoja ja tieteellisiä artikkeleita aiheesta sekä opettelin Cedratin Flux2D-FEM-laskentaan perustuvan ohjelman käyttöä. Ohjaajana oppilaitoksen puolelta toimi lehtori Jyrki Liikanen ja ulkopuolisena ohjaajana Marko Rilla (TkT).

Taustatutkimusta ja valmistelua

Kirjoittamisosuuden alussa selvitettiin sähkökoneiden historiaa ja ajoneuvojen sähköistymistä. Tutkittiin kestomagneettitahtikoneiden ominaisuuksia sekä vertailtiin erilaisia sähkökonetyyppejä, jotta varmistuttiin, että valittu sähkökonetyyppi on paras valinta käyttötarkoitukseen.

Kun sähkökonetyyppi oli valittu, selvitettiin sen reunaehdot ja suorituskykyvaatimukset. Näitä varten tutkittiin Superkart-sarjan säännöksiä, ja niiden perusteella määritettiin sähkökoneen fyysiset ulkomitat. Suorituskykyreferenssinä käytettiin sarjassa yleisimmin käytettyä 250 kuutiosenttimetrin kaksitahtista polttomoottoria. Energiavarastoksi suunniteltiin esimerkkinä toimiva Li-ion-kennoista koostuva akkupaketti, joka määritti koneen suurimman käyttöjännitteen ja virran.

Kehitystä, laskelmia, tuloksia

Sähkökoneen suunnitteluvaihe aloitettiin vertailemalla erilaisia sähkökoneissa käytettyjä materiaaleja, ja niistä valittiin ominaisuuksiltaan parhaiten sopivat. Tyypillinen staattori- ja roottorigeometria mallinnettiin laskentaohjelmaan, ja määriteltiin valittujen materiaalien ominaisuudet.

Tehtiin Excel-työkalu, jonka avulla pystyttiin laskemaan käämityksen sähköiset ja fyysiset ominaisuudet. Excel-työkalua tehtäessä käytettiin apuna käämilankavalmistajan teknisiä tietoja sekä kokemusperäisiä kertoimia. Suunnittelu koostui useasta optimointivaiheesta, jotka sisälsivät erilaisia käämitys- ja roottorityyppejä sekä geometrian muunnelmia. Jokainen optimointivaihe sisälsi useita laskelmia sekä tuloksia.

Kun sähkökoneen laskentavaihe oli valmis, rakennettiin sähkökonemalli alusta alkaen laskentaohjelmaan. Laskentavaiheet suoritettiin uudelleen valmiilla geometrialla kirjoittaen samalla opinnäytetyön Sähkömagneettinen laskenta -osiota. Tämän takia opinnäytetyö ei sisällä optimointivaiheita, vaan siinä on selostettu, miten jokainen laskentavaihe suoritettiin viimeisellä geometriamallilla.

Tekstissä selvitettiin myös, miten koneen ominaisuudet muuttuvat parametrejä muuttamalla. Lopussa vertailtiin valmiin sähkökoneen laskentatuloksia polttomoottorikäyttöisen Superkartin ominaisuuksiin ja todettiin, että suunniteltu sähkökone vastaa vaadittua. Myös tulevaisuuden kehitysmahdollisuuksia arvioitiin.

Jatkuvaa oppimista

Koska kokemusta aikaisemmasta sähkökonesuunnittelusta ei ollut, jouduttiin aloittamaan prosessi itseopiskelulla. Opinnäytetyön laskentavaiheet sisälsivät paljon epäonnistuneita laskelmia sekä niistä oppimista. Aiheen kiinnostavuus auttoi selvittämään epäonnistumiseen johtaneet syyt ja opettelemaan, miten ne pystytään korjaamaan.

Opinnäytetyöprosessi sujui kokonaisuudessaan kohtalaisen hyvin ja onnistuneesti, vaikka työn vaativuustaso oli korkea. Työn tuloksena valmistui Excel-työkalu, jota pystyy hyödyntämään myös työelämässä. Opinnäytetyö löytyy kokonaisuudessaan Theseuksesta osoitteesta: http://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202005138763.