Sähkömoottorin laihdutuskeinot mobiilikäytöissä
Aitto-oja, Vesa; Lintunen, Anssi (2019)
Kandidaatintyö
Aitto-oja, Vesa
Lintunen, Anssi
2019
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019043013807
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019043013807
Tiivistelmä
Tässä kirjallisuusselvityksessä tehdään tilannekatsaus eri mobiilikäyttöjen sähkömoottoreista ja niiden mahdollisista keventymisistä sekä keventämiskeinoista. Tilannekatsauksen kohteena ovat hybridi- ja sähköautot, sähkömoottoripyörät, sähköiset ilma-alukset ja sähköavusteiset polkupyörät. Lisäksi työssä tehdään katsaus Hitachin sähkömoottoreiden kehittymiseen ja hiilinanoteknologian mahdolliseen käyttöön seuraavan sukupolven sähkömoottoreissa.
Kirjallisuusselvityksen tavoitteena on löytää syyt mahdollisille keventymisille ja myös sille, että miksi mahdollisesti sähkömoottorit eivät ole vielä keventyneet. Tämän lisäksi tavoitteena on tutkia, millaisia ratkaisuja tulevaisuuden sähkömoottoreissa tullaan näkemään. Työssä tutkitaan ratkaisuja, joilla mahdollinen sähkömoottoreiden keventyminen on saatu aikaiseksi.
Kirjallisuusselvitys osoittaa, että kaupallisissa hybridiautoissa sähkömoottoreiden massaa on saatu suurimmalta osaltaan kevennettyä siten, että on pienennetty roottorin ja staattorin massaa. Roottorin massan pienentyminen selittyy uudenlaisella roottorilevyjen kuvioinnilla ja staattorin massan pienentyminen selittyy kuparin vähäisemmällä tarpeella. Kaupallisten sähköautojen osalta sähkömoottoreiden massa on pysynyt likimain samana, mutta suurinta tehoa on saatu kasvatettua. Sähköautojen sähkömoottorien massan keventymiseen on kuitenkin tulossa monia ratkaisuja, kuten esimerkiksi aksiaalisuuntainen sähkömoottori, jonka tehotiheys on yli nelinkertainen verrattuna radiaalisuuntaiseen sähkömoottoriin, jotka ovat tämän hetken yleisimpiä sähkömoottoreita.
Kaupallisten sähkömoottoripyörien osalta sähkömoottorin massa on hieman jopa kasvanut, mutta toisaalta suurinta tehoa on saatu huomattavasti kasvatettua. Sähköavusteisissa polkupyörissä sähkömoottorin massa on pysynyt muutamien vuosien aikana lähes samana, mutta uudempia teknologioita kehitellään koko ajan.
Hiilinanoteknologian osalta sähkömoottoreissa ollaan siinä vaiheessa, että koitetaan tehdä sähkönjohtavuudeltaan parempaa hiilinanoputkilankaa, jolloin sitä voidaan vasta alkaa käyttämään esimerkiksi staattorin käämityksessä. Ilma-aluksissa Siemensin kahden eri sähkömoottorimallin perusteella todetaan, että massa on pysynyt likimain samana, mutta vääntömomenttia on saatu kasvatettua. Ilma-aluksissa parannetaan tällä hetkellä ominaistehoa muun muassa jäähdytystä parantamalla. This thesis consists of different reviews about potential ways to reduce electric motors size and weight in electric vehicles. Under investigation are electric- and hybrid cars, electric motorcycles, -aircrafts and -adjusted bicycles. In addition, review of the development of Hitachi’s motor technology and potential use of carbon nanotubes as electric motor components to replace copper in windings.
The purpose of this study is to find reasons for possible size and weight reduction on electric motors and the reasons why they have not been reduced yet. In addition, the aim is to explore what solutions will be seen in the future electric motors. This study also explores how possible reduction has been obtained.
This study reveals that in commercial hybrid cars, the mass of electric motors has been reduced mostly by reducing the rotor and stator mass. The reduction in rotor mass is explained by large openings in the rotor laminations and the reduction in stator mass is explained by the reduced need for copper. For commercial electric cars electric, the mass of electric motors has remained almost the same, but the highest power has been increased. However, there are many solutions to reduce mass on electric motors in electric cars, such as an axial electric motor having a power density more than four times that of a radial electric motor, which are the most common electric motors of the present day.
In the case of commercial electric motorcycles, the mass of the electric motor has even increased slightly, but on the other hand, the power has been increased considerably. In electric adjusted bicycle motor mass has remained almost the same for a few years, but new technologies are being developed all the time.
In the case of carbon nanotechnology, electric motors are at the stage of attempting to make a carbon nanotube with a better conductivity so that it can be used, for example, in the stator windings. On electric aircraft comparison of different electric motors show, that the mass of electric motors has remained almost the same, but the highest torque has been increased. At the moment efforts are being made to increase power-to-weight ratio in aircraft electric motors by using better cooling methods.
Kirjallisuusselvityksen tavoitteena on löytää syyt mahdollisille keventymisille ja myös sille, että miksi mahdollisesti sähkömoottorit eivät ole vielä keventyneet. Tämän lisäksi tavoitteena on tutkia, millaisia ratkaisuja tulevaisuuden sähkömoottoreissa tullaan näkemään. Työssä tutkitaan ratkaisuja, joilla mahdollinen sähkömoottoreiden keventyminen on saatu aikaiseksi.
Kirjallisuusselvitys osoittaa, että kaupallisissa hybridiautoissa sähkömoottoreiden massaa on saatu suurimmalta osaltaan kevennettyä siten, että on pienennetty roottorin ja staattorin massaa. Roottorin massan pienentyminen selittyy uudenlaisella roottorilevyjen kuvioinnilla ja staattorin massan pienentyminen selittyy kuparin vähäisemmällä tarpeella. Kaupallisten sähköautojen osalta sähkömoottoreiden massa on pysynyt likimain samana, mutta suurinta tehoa on saatu kasvatettua. Sähköautojen sähkömoottorien massan keventymiseen on kuitenkin tulossa monia ratkaisuja, kuten esimerkiksi aksiaalisuuntainen sähkömoottori, jonka tehotiheys on yli nelinkertainen verrattuna radiaalisuuntaiseen sähkömoottoriin, jotka ovat tämän hetken yleisimpiä sähkömoottoreita.
Kaupallisten sähkömoottoripyörien osalta sähkömoottorin massa on hieman jopa kasvanut, mutta toisaalta suurinta tehoa on saatu huomattavasti kasvatettua. Sähköavusteisissa polkupyörissä sähkömoottorin massa on pysynyt muutamien vuosien aikana lähes samana, mutta uudempia teknologioita kehitellään koko ajan.
Hiilinanoteknologian osalta sähkömoottoreissa ollaan siinä vaiheessa, että koitetaan tehdä sähkönjohtavuudeltaan parempaa hiilinanoputkilankaa, jolloin sitä voidaan vasta alkaa käyttämään esimerkiksi staattorin käämityksessä. Ilma-aluksissa Siemensin kahden eri sähkömoottorimallin perusteella todetaan, että massa on pysynyt likimain samana, mutta vääntömomenttia on saatu kasvatettua. Ilma-aluksissa parannetaan tällä hetkellä ominaistehoa muun muassa jäähdytystä parantamalla.
The purpose of this study is to find reasons for possible size and weight reduction on electric motors and the reasons why they have not been reduced yet. In addition, the aim is to explore what solutions will be seen in the future electric motors. This study also explores how possible reduction has been obtained.
This study reveals that in commercial hybrid cars, the mass of electric motors has been reduced mostly by reducing the rotor and stator mass. The reduction in rotor mass is explained by large openings in the rotor laminations and the reduction in stator mass is explained by the reduced need for copper. For commercial electric cars electric, the mass of electric motors has remained almost the same, but the highest power has been increased. However, there are many solutions to reduce mass on electric motors in electric cars, such as an axial electric motor having a power density more than four times that of a radial electric motor, which are the most common electric motors of the present day.
In the case of commercial electric motorcycles, the mass of the electric motor has even increased slightly, but on the other hand, the power has been increased considerably. In electric adjusted bicycle motor mass has remained almost the same for a few years, but new technologies are being developed all the time.
In the case of carbon nanotechnology, electric motors are at the stage of attempting to make a carbon nanotube with a better conductivity so that it can be used, for example, in the stator windings. On electric aircraft comparison of different electric motors show, that the mass of electric motors has remained almost the same, but the highest torque has been increased. At the moment efforts are being made to increase power-to-weight ratio in aircraft electric motors by using better cooling methods.