Hiilikuituvaipan käyttö sähkökoneen roottorissa
Viisanen, Joonas (2025)
Kandidaatintyö
2025
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025052251234
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025052251234
Tiivistelmä
Tämän kandidaatintyön tavoitteena on selvittää hiilikuituvaipan käyttöä, rakennetta, ominaisuuksia ja valmistettavuutta osana sähkökoneen roottorin rakennetta. Työssä tarkastellaan miten hiilikuituvaippa vaikuttaa roottorin rakenteeseen, moottorin suorituskykyyn sekä sähkömagneettisiin ominaisuuksiin.
Työssä keskitytään perinteisen kestomagneettitahtikoneen roottorin rakenteen sekä hiilikuituvaipalla varustetun kestomagneettitahtikoneen roottorin rakenteen tutkimiseen. Tässä työssä tutkitaan pääosin yhdysvaltalaisen sähköautovalmistajan Tesla Inc:n patentoimaa hiilikuituvaipalla varustettua moottoria. Työ toteutetaan kirjallisuuskatsauksena ja tulokset perustuvat aiheeseen liittyviin tutkimuksiin, tieteellisiin artikkeleihin sekä patenttitietoihin.
Työn tulokset osoittavat millaisia hyötyjä ja ominaisuuksia hiilikuituvaipan käytöllä saavutetaan. Keskeisimpänä hyötynä rakenteella on moottorin pyörimisnopeuden kasvattaminen, jolloin moottorista saadaan enemmän tehoa verrattuna samankokoiseen vaipattomaan alhaisemman pyörimisnopeuden moottoriin. Pyörimisnopeutta on mahdollista kasvattaa, koska hiilikuituvaippa vahvistaa roottorin mekaanista rakennetta. Ominaistehoa ja vääntömomenttia saadaan siis lisättyä. Kevyemmästä moottorista saadaan siis enemmän tehoa ja suorituskykyä. Erityisesti ajoneuvokäytöissä moottorin massaa pienentämällä saadaan ajoneuvon hyötysuhdetta korkeammaksi ja mahdollisesti lisää tilaa akkukapasiteetin kasvatusta varten. The objective of this bachelor's thesis is to examine the use, structure, properties, and producibility of a carbon fiber sleeve as part of an electric motor rotor structure. The thesis investigates how the carbon fiber sleeve affects the rotor's construction, motor performance, and electromagnetic characteristics.
The thesis focuses examining the structure of a conventional permanent magnet synchronous motor rotor and a rotor equipped with a carbon fiber sleeve. This thesis primarily examines a carbon fiber sleeved motor patented by the American electric vehicle manufacturer Tesla Inc. The thesis is conducted as a literature review, and the results are based on related research, scientific articles, and patent files.
The results of the thesis demonstrate the benefits and characteristics achieved using a carbon fiber sleeve. The most significant advantage of this structure is the increased rotational speed of the motor, which allows for greater power output compared to a similarly sized motor without a sleeve and with a lower rotational speed. The rotational speed can be increased because the carbon fiber sleeve strengthens the rotor’s mechanical structure. As a result, both power and torque density can be improved. A lighter motor can therefore deliver more power and performance. In vehicle applications, reducing the motor’s mass improves overall efficiency and may release space for increased battery capacity.
Työssä keskitytään perinteisen kestomagneettitahtikoneen roottorin rakenteen sekä hiilikuituvaipalla varustetun kestomagneettitahtikoneen roottorin rakenteen tutkimiseen. Tässä työssä tutkitaan pääosin yhdysvaltalaisen sähköautovalmistajan Tesla Inc:n patentoimaa hiilikuituvaipalla varustettua moottoria. Työ toteutetaan kirjallisuuskatsauksena ja tulokset perustuvat aiheeseen liittyviin tutkimuksiin, tieteellisiin artikkeleihin sekä patenttitietoihin.
Työn tulokset osoittavat millaisia hyötyjä ja ominaisuuksia hiilikuituvaipan käytöllä saavutetaan. Keskeisimpänä hyötynä rakenteella on moottorin pyörimisnopeuden kasvattaminen, jolloin moottorista saadaan enemmän tehoa verrattuna samankokoiseen vaipattomaan alhaisemman pyörimisnopeuden moottoriin. Pyörimisnopeutta on mahdollista kasvattaa, koska hiilikuituvaippa vahvistaa roottorin mekaanista rakennetta. Ominaistehoa ja vääntömomenttia saadaan siis lisättyä. Kevyemmästä moottorista saadaan siis enemmän tehoa ja suorituskykyä. Erityisesti ajoneuvokäytöissä moottorin massaa pienentämällä saadaan ajoneuvon hyötysuhdetta korkeammaksi ja mahdollisesti lisää tilaa akkukapasiteetin kasvatusta varten.
The thesis focuses examining the structure of a conventional permanent magnet synchronous motor rotor and a rotor equipped with a carbon fiber sleeve. This thesis primarily examines a carbon fiber sleeved motor patented by the American electric vehicle manufacturer Tesla Inc. The thesis is conducted as a literature review, and the results are based on related research, scientific articles, and patent files.
The results of the thesis demonstrate the benefits and characteristics achieved using a carbon fiber sleeve. The most significant advantage of this structure is the increased rotational speed of the motor, which allows for greater power output compared to a similarly sized motor without a sleeve and with a lower rotational speed. The rotational speed can be increased because the carbon fiber sleeve strengthens the rotor’s mechanical structure. As a result, both power and torque density can be improved. A lighter motor can therefore deliver more power and performance. In vehicle applications, reducing the motor’s mass improves overall efficiency and may release space for increased battery capacity.