Sähkömoottorin hyötysuhdemittauksen suunnittelu ja toteutus

Abstract

Työn tarkoituksena oli suunnitella ja tehdä kustannuksiltaan kohtuullinen laitteisto, joka mahdollistaa sähkömoottoreiden hyötysuhteen mittaamisen. Tavoitteena oli ajaa kahden Oceanvolt Oy:n vetolaitteissaan käyttämän moottorin hyötysuhde- ja rasitustestejä. Hyötysuhdetesteillä oli tarkoitus vahvistaa valmistajan ilmoittamia arvoja yhdessä muun laitteiston kanssa. Kokonaisjärjestelmän osalta rasitustesteillä pyrittiin saamaan tietoa moottoreiden, akuston ja moottoriohjaimen käyttäytymisestä pitkäkestoisessa ajossa suurella kuormalla.

Hyötysuhteen määrittämiseksi on tiedettävä moottorin kuluttaman sähkötehon lisäksi akselin kulmanopeuden ja vallitsevan momentin tulo eli moottorin tuottama teho. Mitattavista suureista momentin määritys toteutettiin soveltaen fysiikan periaatteita momentin vaikutuksesta jäykässä kappaleessa. Näin mahdollistettiin yksinkertaisen voima-anturin käyttö mittaamisessa.

Momentin mittaamiseksi on saatava aikaan testattavan sähkömoottorin pyörimistä vastustava voima. Tarvittava vastus päätettiin toteuttaa hydraulisella järjestelmällä, jossa hydraulipumppua pyörittämällä aikaan saatua nestevirtaa jarrutettiin säädettävällä vastusventtiilillä.

Laitteiston ensimmäistä kehitysversiota ei saatu toimimaan odotusten mukaisesti, joten rakenne ja toimintaperiaate päädyttiin muuttamaan. Muutos ei poistanut varsinkaan resonointiin liittyviä ongelmia, joten hyötysuhteen mittaus tavoitellulla tarkkuudella jäi toteutumatta.

Työn tuloksena syntyi kompakti testilaitteisto, jota hyödynnettiin Midnightsun-aurinkoveneprojektissa. Oceanvolt Oy:n tarpeisiin laitteistolla tehtiin moottoreille todellisen käyttötilanteen mukaista rasitustestausta.

The purpose of this project was to design and create an affordable hardware that allows measuring the efficiency of electric motors. The aim was to drive efficiency and stress tests to motors that Oceanvolt Ltd use in their drive units. While the efficiency tests were targeted at confirming the values stated by the manufacturer, the load tests should give information on the behaviour of motors when driving long periods with heavy load.

For the efficiency measurement, it is essential to know the electric power consumption of the motor but also the angular velocity and the torque of the axle. The torque was defined by using physical principles regarding the torque’s reaction in a rigid object. That way the use of a simple load sensor could be included in the measurements.

For the measurement of the torque, the generated load had to be sufficient to resist the rotation of the tested electric motor. The required load was generated by means of a hydraulic system where the hydraulic stream produced by rotating the hydraulic pump was reduced with an adjustable valve.

Because the hardware did not function sufficiently enough, the construction and mode of the operation were changed. The change could not solve the crucial problems relating to the resonance, and it was impossible to measure the efficiency with the required precision.

The outcome of the project was a compact test hardware that was used in the student solar boat project “Midnightsun”. An efficient hardware was created for Oceanvolt Ltd motors, and load tests were successfully carried out that are qualified for real life situations.