Oikosulkumoottorin alumiinisen staattorikäämityksen kehittäminen

Abstract

Tässä työssä on tutkittu yleisesti käytetyn kuparikäämityksen korvaamista edullisemmalla alumiinikäämityksellä hyötysuhdedirektiivien mukaisissa rajoissa oikosulkumoottorin kustannustehokkuuden parantamiseksi. Alumiinin noin 40 prosenttia huonompi sähkönjohtavuus kupariin verrattuna sekä alumiinin pinnalle muodostuva resistiivinen oksidikerros luovat alumiinisen staattorikäämityksen kehittämiselle kuitenkin haasteelliset olosuhteet.

Tutkimuksen tavoitteena oli löytää ABB oy:n Motors and Generators -yksikölle mahdollisimman kustannus- ja energiatehokas alumiinikäämillinen ratkaisu. Työssä tutkittiin tarkemmin 45 kW:n kaksinapaista oikosulkumoottoria. Tutkimusongelmaa lähestyttiin julkaistujen tutkimusten, sähkömagneettisen teorian sekä simulointilaskelmien avulla. Työssä esitetään myös kuparin ja alumiinin ympäristövaikutuksia.

Tutkimusta varten valmistettiin kaksi alumiinikäämillistä prototyyppimoottoria, joista ensimmäisen staattori tehtiin tuotannon vakiolla staattoriuralla ja käämilankamäärällä. Toisen prototyypin staattori valmistettin tässä työssä laskennallisesti optimoidulla staattoriuralla, mikä mahdollisti suuremman käämilankamäärän urassa. Tällä pyrittiin kasvattamaan oikosulkumoottorin hyötysuhdetta vakioon rakenteeseen verrattuna. Lisäksi työssä tutkittiin uppokyllästettyjen käämivyyhtien sähköisten liitosten ikääntymistä lämpövanhennuskokeiden avulla. Tuloksena löydettiin prototyyppimoottorien alumiinikäämityksille sopivat kytkentämenetelmät.

Työn tuloksena saavutettiin molemmilla prototyyppimoottoreilla IE3-hyötysuhdeluokka, joista optimoidulla rakenteella hyötysuhde oli 0,28 prosenttiyksikköä parempi. Testitulosten ja työn muun tarkastelun perusteella voidaan todeta alumiinikäämityksen olevan tuotannollisesti täysin toteutettavissa. Myös alumiinikäämityn oikosulkumoottorin välittömien kustannusten todettiin olevan tässä tapauksessa noin 20 prosenttia pienemmät vakiorakenteiseen kuparikäämilliseen rakenteeseen verrattuna.

In this thesis the replacement of commonly used copper winding with a less expensive aluminum winding is investigated, within the limits of the efficiency directives to improve the cost-efficiency of the induction motor. However, the approximately 40 percentage lower electrical conductivity of aluminum compared to copper, as well as the resistive oxide layer formed on the surface of aluminum, create difficult conditions for the development of aluminum-wound stator.

The target of this thesis was to find the most cost-efficient and energy-efficient aluminum-wound stator solution for ABB Ltd Motors and Generators business unit. The 45 kW two-pole induction motor was studied in more detail. The research problem was approached by means of published studies, electromagnetic theory and simulation calculations. The work also presents the environmental effects of copper and aluminum.

Two prototype motors with aluminum windings were manufactured for this thesis. The stator of the first prototype was made with a standard stator slot and winding wires. The stator of the second prototype was manufactured with a stator slot computationally optimized in this work, which allowed larger winding volume in the slot. The aim of this was to increase the efficiency of the induction motor. In addition, aging of the electrical connections of impregnated windings was investigated by means of thermal aging tests. As a result, suitable coupling methods for aluminum-wound prototype motors were found.

As a result of the work, the IE3 efficiency class was achieved with both prototypes, of which the optimized design had 0,28 percentage points better efficiency. Based on the test results and other examination of the work, it is obvious to conclude that the aluminum winding is completely feasible to use in induction motor production. The direct costs of the aluminum-wound induction motor was also found to be about 20 percent lower in this case compared to standard copper-wound structure.