Korkean kierrosluvun PMSM-moottorien käyttö sähköisissä lineaarisissa toimilaitteissa

Abstract

Koneita ja toimilaitteita sähköistämällä saavutetaan perinteisiin järjestelmiin verrattuna korkea energiatehokkuus ja päästöjen väheneminen. Sähköiset lineaariset toimilaitteet (EMLA) ovat vaihtoehto hydraulisille järjestelmille. EMLA-laitteiden etuja ovat korkea hyötysuhde, tarkka ohjattavuus, vähäinen huoltotarve ja ympäristöystävällisyys. Korkean kierrosluvun PMSM-moottorit ovat yksi vaihtoehto EMLA-laitteisiin etenkin sovelluksissa, joissa tarvitaan pientä kokoa, keveyttä ja suurta lineaarinopeutta. Korkea kierrosluku mahdollistaa pienemmän rakenteen, mikä on merkittävä etu ahtaissa ja liikkuvissa rakenteissa. Samassa teholuokassa niillä saavutetaan parempi teho-painosuhde, mutta samalla moottorit altistuvat suuremmille mekaanisille rasituksille ja lämpöhäviöille. Erityisesti roottorin rakenteen ja jäähdytyksen suunnittelu on kriittistä.

Tässä työssä selvitettiin korkean kierrosluvun PMSM-moottorien soveltuvuutta EMLA-käyttöön. Aluksi perehdyttiin PMSM-moottorien toimintaperiaatteisiin, rakenteeseen ja ohjausmenetelmiin. Tämän jälkeen tarkasteltiin korkean kierrosluvun moottoreita ja niiden ominaisuuksia. Olemassa olevien moottorien osalta vertailtiin eri valmistajien PMSM-moottoreita teholuokissa 1–4 kW. Vertailu osoitti, että korkeakierroslukuiset moottorit voivat olla jopa puolet kevyempiä kuin perinteiset moottorit vastaavalla teholla. Työssä esitellään myös EMLA:n mitoitusprosessi, jossa valitaan ensin sopiva ruuvimekanismi, jonka perusteella määritetään moottorin vaatimukset. Vääntömomentti ja kierrosnopeus määritellään laskennallisesti ottaen huomioon hyötysuhteet ja vaihteiston välityssuhde. Suuren kierrosluvun moottori vaatii suuremman välityssuhteen, mikä lisää vaatimuksia vaihteistolle, mutta mahdollistaa moottorin pienemmän koon.

Korkean kierrosluvun hyötyjä EMLA-käytössä havaittiin olevan paitsi pienempi koko ja paino, myös mahdollisuus saavuttaa suuria lineaarinopeuksia. Lisäksi arvioitiin, että matalan kierrosluvun moottorin käyttö voi olla järkevämpää, jos kokovaatimukset eivät ole kriittisiä. Työn lopuksi tarkasteltiin myös olemassa olevia korkean kierrosluvun EMLA-ratkaisuja. Eräs potentiaalinen käyttökohde on ilmailusovellukset, joissa tilansäästö ja keveys ovat kriittisiä. Työn tulokset osoittavat, että korkean kierrosluvun PMSM-moottorit ovat varteenotettava vaihtoehto EMLA-laitteiden käyttöön erityisesti silloin, kun kompakti rakenne on tarpeellinen.