Tulostettava versio

Tekniikan Akateemisten Liitto TEK ja Tekniska Föreningen i Finland TFiF myönsivät tämänvuotisen 5000 euron diplomityöpalkinnon DI Anssi Sinervolle.

Sinervo löysi diplomityössään ratkaisun nopeussäädetyn sähkökoneen roottorivärähtelyjen ongelmaan koneen staattoriin integroitujen aktiivisten lisäkäämien avulla.

Kaksinapaisen oikosulkumoottorin poikittaisvärähtelyjen mallinnus ja säätö

Suurten sähkökoneiden käyttöä rajoittavat mekaaniset ongelmat, jotka on otettava huomioon jo koneiden suunnittelussa. 

Konetta pidentämällä saadaan enemmän tehoa, mutta samalla roottoria tukevat laakerit sijoittuvat kauemmaksi toisistaan. Pidempi laakereiden väli saa roottorin ominaisvärähtelytaajuudet matalammaksi. Suurin ongelma on roottorin ensimmäinen taivutusvärähtelymuoto, joka usein estää koneen käytön jollain tietyllä pyörimisnopeusalueella.

Anssi Sinervo on hyödyntänyt työssään laakerittomien sähkökoneiden ideaa. Roottoria tuetaan magneettisilla voimilla koneen sisällä, jolloin laakerien etäisyys ei ole ongelma. Roottori on kuitenkin tuettu myös ulkoisilla laakereilla. Magneettisia voimia käytetään vain värähtelyjen aktiivivaimentamiseen ongelmallisilla pyörimisnopeuksilla. Jos roottori tuetaan pelkästään magneettisesti, roottorin paikkasäädön epäonnistuminen voi johtaa koko koneen katastrofaaliseen tuhoutumiseen.

Työn tavoitteena oli osoittaa konseptin toimivuus ja löytää ohjausalgoritmi, jolla roottorin värähtelyt saadaan vaimennettua. Värähtelyn vaimentavat magneettiset voimat tuotettiin koneen kehälle, staattoriin, rakennetulla ylimääräisellä käämityksellä. Ohjausalgoritmin tehtävä oli laskea roottorin paikkamittauksesta saatavan tiedon perusteella ohjausjännite lisäkäämiin.

Mittaukset pienoismallilla

Esitettyjen menetelmien käyttökohteeksi soveltuvat parhaiten noin 1 MW suuruusluokan oikosulkukoneet, jotka ovat fyysisesti suuria ja kalliita. Mittaukset tehtiin kuitenkin pienemmällä 30 kW oikosulkumoottorilla, joka muokattiin mekaanisilta ominaisuuksiltaan muistuttamaan suurempia koneita. Testikoneeseen vaihdettiin pidempi ja löysempi akseli, jolla saatiin roottorin ominaisvärähtelytaajuus matalammaksi. Testilaitteen akseli oli myös käyrä, jolloin mekaanisia häiriövoimia syntyi enemmän.

Mittausten perusteella testimoottorille tehtiin ensin numeerinen malli, jota säätöalgoritmit voivat käyttää. Lisäksi mallia verrattiin suoraan fysiikasta johdettuihin yhtälöihin. Muutamia säätöalgoritmeja kokeilemalla löydettiin tapa, jolla roottorin värähtelyt saadaan lähes täysin poistettua myös ongelmataajuuksilla. 

Palkittu työ yhdistää kolme eri tutkimusaluetta. Alkuperäinen ongelma on mekaaninen, hallinta perustuu sähkömagnetiikkaan ja ratkaisu löytyy lopulta säätöteoriasta. 

Palkintolautakunta totesi, että työn onnistunut toteutus on vaatinut laaja-alaista osaamista. Tekijä on joutunut perehtymään syvällisesti sekä sähkömagnetiikkaan, mekaniikkaan että säätötekniikkaan. Tässä hän on onnistunut erinomaisesti.

Sinervon DI-työ on tehty Teknillisen korkeakoulun elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunnassa sähkömekaniikan tutkimusryhmässä. Työn valvojana toimi professori Antero Arkkio ja ohjaajana systeemitekniikan tutkimusryhmästä TkT Kai Zenger. Työ tehtiin Suomen Akatemian rahoittamassa projektissa.

Työn tuloksia voidaan pitää merkittävinä sähkökoneteknologian kehityksen kannalta. Sähkökoneita valmistava teollisuus sekä tutkijat maailmalla ovat jo ilmaisseet kiinnostuksensa tuloksiin.

• Diplomityö pdf-muodossa 
• Perustietoa aiheesta Wikipediassa
• Lisätietoja työstä Anssi Sinervolta 

Diplomityöpalkinto on stipendi, jolla palkitaan vuosittain yksi tai useampi edellisenä kalenterivuotena tutkintonsa suorittanut diplomi-insinööri tai arkkitehti. Palkinnon tarkoituksena on kannustaa tekniikan ylioppilaita tulokselliseen opiskeluun, laaja-alaiseen ja kokonaisvaltaiseen osaamiseen sekä poikkitieteellisen tiedon soveltamiseen. Diplomityöpalkinto jaettiin ensimmäisen kerran 1986.