Formula Student Electric –auton moottorin valinta

Abstract

Metropolia Ammattikorkeakoulun Metropolia Motorsport –formulatiimi on toiminut yli 10 vuoden ajan. Tiimin toiminnan tarkoitus on antaa insinööriopiskelijoille hyvät lähtökohdat työelämään. Nyt tiimi on siirtymässä kilpailemaan polttomoottoriautojen sarjasta sähkökäyttöisten Formula Student -autojen sarjaan. Tässä tutkielmassa esitellään erilaisia autokäyttöön sopivia sähkömoottorityyppejä, niiden toimintaa ja säätöperiaatteita sekä käydään hieman läpi Metropolia Motorsportin ensimmäisen sähkökäyttöisen kilpa-auton moottorin valintaprosessia. Yleisesti automaailmassa sähköautotekniikka tekee voimakkaasti tuloaan johtuen lisääntyneestä halusta suojella ympäristöä. Viimeaikainen akkutekniikan kehitys on auttanut sähköautojen tuloa markkinoille. Kehitystä on tapahtunut myös moottoripuolella. Aiempina vuosina sähköautoissa käytetyistä, huonomman hyötysuhteen omaavista harjallisista DC– moottoreista ollaan siirtymässä kestomagneeteilla varustettuihin tahtimoottoreihin, joiden hyötysuhteet ja teho-paino–suhteet ovat parempia. Tällä hetkellä parhaat markkinoilla olevat tahtimoottorit ovat erittäin kevyitä ja tuottavat suuren vääntömomentin. Tahtimoottoreiden vääntömomentin säädössä käytetään teollisuudessa yleisessä käytössä olevien taajuusmuuttajien tekniikkaa. Ajoneuvokäytössä on luontevampaa puhua invertteristä eli vaihtosuuntaajasta, sillä nimitys kuvaa hyvin laitteen tehtävää, joka on muuntaa akusta saatava tasajännite moottorille sopivaksi vaihtojännitteeksi.

Metropolia Motorsport formula engineering team has existed for over ten years. The primary purpose of the team is to provide students with great skills already during their time as engineering students. Until now, the team has participated in annual competitions with their combustion engine powered cars. Now the team is about to shift from combustion engine powered car to an electric car. In this thesis, some types of electric motors and their operation principles as well as the principles of torque vectoring of a permanent magnet synchronous motor are presented. In addition, the evaluation and selection process of the first electric motor to be implemented in a formula student car designed and constructed by Metropolia motorsport is documented. In general, automotive industry is currently launching the electric car technology to the market due to the growing concern about the environment. Especially recent progress achieved in battery development has boosted the advent of the electric car. Also the progress in electric motor field has contributed in the advent. The industry is shifting from the low-efficiency brushed DC-motors to more efficient and lighter AC-powered synchronous motors. The best automotive electric motor applications in the market today have an excellent efficiency and they produce a lot of torque. The technology used to convert direct current drawn from the battery to alternating current suitable to the synchronous motor is almost similar to that used in frequency converters, which are commonplace elsewhere in the industrial sector. The converting device is, however, called inverter.