Sähkömoottorien seuraava sukupolvi
Vuoden väitöskirjapalkinnon voittaja Asad Awan aukoo tietä Nikola Teslan kehittämän vaihtovirtamoottorin seuraajalle.
Asad Awanin kehittämät moottorinohjausmenetelmät tekevät uudesta sähkömoottorityypistä vakavan kilpailijan markkinoita hallitsevalle oikosulkumoottorille.
– Lähes puolet EU:ssa tuotetusta sähköstä kulutetaan sähkömoottoreissa, aloittaa ABB:llä työskentelevä Asad Awan voitokkaan väitöstyönsä esittelyn.
Lupaavin kilpailija perinteiselle oikosulkumoottorille on tahtireluktanssimoottori.
Pienikin hyötysuhteen parannus merkitsisi siis valtavia säästöjä sähkön kulutuksessa. Lupaavin kilpailija perinteiselle oikosulkumoottorille on tahtireluktanssimoottori.
– Sen häviöt ja koko ovat oikosulkumoottoria pienempiä, Awan kertoo.
Ei siis ihme, että Tekniikan akateemiset TEKin ja TFiF Tekniska föreningen i Finlandin vuoden 2020 väitöskirjapalkinnon valitsijat nostivat Awanin väitöskirjan ykköseksi kolmenkymmenen kovatasoisen ehdotuksen joukosta.
”Awanin työssään käsittelemä reluktanssimoottori olisi teollisuuden näkökulmasta oivallinen vaihtoehto, sillä sen valmistuskustannus on kilpailukykyinen oikosulkumoottoreiden kanssa, sen häviöt ovat merkittävästi oikosulkumoottoria pienemmät eikä sen valmistuksessa tarvita harvinaisia maametalleja”, perusteli palkintoraati valintaansa.
Vanha keksintö, vaikea säätää
Uusi moottorityyppi ei ole keksintönä mikään uusi: sen periaate esiteltiin vuonna 1923. Ensimmäistä kaupallista sovellusta piti kuitenkin odottaa lähes 90 vuotta. ABB esitteli ensimmäisen tahtireluktanssimoottorinsa vuonna 2012.
Selitys hitaaseen kaupallistamiseen on yksinkertainen.
Tahtireluktanssimoottori ei käynnisty itsekseen vaihtovirtaan kytkettäessä. Se tarvitsee avukseen taajuusmuuttajan, jolla moottoriin syötettävää virtaa ja sen taajuutta voidaan säätää. Tämä teknologia otettiin ensi kertaa käyttöön vasta Helsingin metrossa 1980-luvulla.
Sen jälkeen energiaa säästävä taajuusmuuttajateknologia on yleistynyt nopeasti oikosulkumoottorien ohjauksessa.
Tahtireluktanssimoottorit vaativat kuitenkin oman erityisen ohjausmenetelmänsä.
– Moottorin säätö on erittäin vaikeaa, Asad Awan kertoo.
Juuri näihin ohjausmenetelmiin Awan väitöstyössään pureutui.
Teollisuuteen ja sähköautoihin
Tahtimoottoreiden edut ovat kuitenkin kiistattomat. Teollisuudessa niiden suurin valtti on oikosulkumoottoria parempi hyötysuhde.
Ympäri vuorokauden pyörivissä pumppu- tai kuljetinmoottoreissa parin prosentin parannus hyötysuhteessa saattaa merkitä satojen tai tuhansien eurojen säästöjä moottoria kohden vuodessa.
Ajoneuvovalmistajia taas houkuttelee moottorin pieni koko, hyvä vääntö pienillä kierroksilla ja mahdollisuus korkeisiin pyörimisnopeuksiin.
Tämä on täydellinen paketti.
Moottorin ominaisuuksia voi tuunata lisäämällä siihen kestomagneetteja. Esimerkiksi sähköautovalmistaja Tesla korvasi uusimmassa 3-mallissaan oikosulkumoottorit kestomagnetoiduilla tahtimoottoreilla.
Yleistymisen tiellä on kuitenkin muutama jarru.
Jotta tahtireluktanssimoottorit yleistyisivät, pitäisi niiden toimia ilman nopeus- ja liikeantureita nykyisten oikosulkumoottorien tapaan. Samoin eri valmistajien taajuusmuuttajia ja moottoreita pitäisi pystyä yhdistelemään vapaasti keskenään.
Myös moottoria ohjaavan ohjelmiston pitää tunnistaa automaattisesti siihen kytketyn moottorin ominaisuudet ja virittäytyä automaattisesti moottoria varten.
Juuri tämän Asad Awanin väitöstyö tekee. Sen ydin on taajuusmuuttajan ohjelmisto, joka sopii erilaisten tahtireluktanssi- ja kestomagneettimoottorien ohjaukseen.
– Tämä on täydellinen paketti. Se tunnistaa moottorin ominaisuudet ja ohjaa sitä hyvällä hyötysuhteella, Awan kertoo.
Väitöskirjan menetelmistä on hyötyä niin teollisuudessa kuin ajoneuvojen moottoreissa.
Awanin oma suosikki väitöskirjan kuudesta tutkimuspaperista on hänen kehittämänsä Plug-and-play-menetelmä tahtimoottorien käynnistykseen. IEEE Industry Applications Society palkitsi tutkimuspaperin vuoden 2018 parhaana sähkömoottorikäyttöjä käsittelevänä tutkimusartikkelina.
– Moottorista tarvitaan vain perustiedot, sen käyttöjännite ja teho.
Sen jälkeen Awanin algoritmit tunnistavat taajuusmuuttajaan kytketyn moottorin magneettiset ominaisuudet ja kertovat miten sitä pitää säätää.
Menetelmät sopisivat sellaisenaan vaikkapa uuden Tesla 3:n moottorien ohjaukseen.
Säätöä reaaliajassa
Awanin väitöstyön kaksi ensimmäistä tutkimuspaperia esittelevät uudenlaisen matemaattisen mallin tahtireluktanssimoottorien virran säätöön. Siitä on hyötyä varsinkin nopeakäyntisissä ajoneuvomoottoreissa.
Ilman antureita toimiva säätöalgoritmi laskee reaaliajassa, missä tilassa moottori sähkömagneettisesti on ja mikä on sen roottorin asento. Tiedon perusteella moottoria ohjaava taajuusmuuttaja säätää virtaa jopa tuhansia kertoja sekunnissa, jotta moottorin pyörintänopeus ja momentti pysyvät tarkalleen haluttuina.
Awan teki väitöskirjansa professori Marko Hinkkasen vetämässä sähkökäyttöjen tutkimusryhmässä. Ryhmän parasta osaamista on tehoelektroniikan reaaliaikainen säätö ja matemaattinen estimointi.
Fysiikka täytyy tuntea hyvin
Tehoelektroniikan kehitys on mahdollistanut uuden moottorityypin tuomisen markkinoille. Tutkijoiden haaste on ohjata sitä mahdollisimman älykkäästi.
– Fysiikka täytyy tuntea hyvin. Kaikki pohjautuu fysikaalisiin malleihin ohjattavasta moottorista, Awanin työtä ohjannut professori Hinkkanen kertoo.
Asad Awan tuli Hinkkasen ryhmään kesätöihin vuonna 2014. Sen jälkeen sekä Awanin diplomityö että väitöskirja valmistuivat tutkimusryhmässä ripeästi. Syksyllä 2019 tuore tohtori siirtyi ryhmän tutkimusta rahoittaneen ABB:n palkkalistoille.
– Asad Awan oli todella ahkera ja motivoitunut – ja nopea oppimaan. Väitöstä oli helppo ohjata, Hinkkanen muistelee.
Professoria ei kuitenkaan harmita, että vuoden väitöskirjan tekijä siirtyi akateemiselta uralta teollisuuteen.
– Se on meillä tavoitteena, Hinkkanen toteaa.
Asad Awanin tie tohtoriksi
1990. Asad Awan syntyy Mandi Bahauddin kaupungissa pohjoisessa Pakistanissa.
2004. Fysiikasta kiinnostunut Awan päättää hakeutua insinööriopintoihin.
2008. Awan aloittaa sähkötekniikan opinnot Lahoren University of Engineering and Technology (UET) -yliopistossa.
2012. Valmistuu tekniikan kandidaatiksi UET:sta.
2013. Awan aloittaa maisteriopinnot Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulussa.
– Eräs opettajistani oli tehnyt väitöstutkimustaan yhdessä Aalto-yliopiston professorin kanssa.
2014. Kesätyöt Marko Hinkkasen tutkimusryhmässä saavat jatkoa ensin diplomityön, sitten väitöskirjan muodossa.
2015. Asad Awan valmistuu diplomi-insinööriksi ja aloittaa jatko-opinnot.
2019. Väitöskirja ”Control methods for Permanent-Magnet Synchronous Reluctance Motor Drives” hyväksytään, Awan aloittaa työt ABB:llä.
2020. Awan saa TEKin ja TFiF:n vuoden 2020 väitöskirjapalkinnon.
Mitä haluat saada aikaan tekniikan tohtorina?
– Olisi hienoa saada väitöskirjani menetelmiä käyttöön myös ajoneuvoteollisuudessa.
Suosikkileikkikalu?
– Canon 77D -järjestelmäkamera.
Suosikkiharrastus?
Kortti- ja lautapelit kaverien kanssa. – Nyt ei vain ole hirveästi aikaa, kun on yksivuotias tytär perheessä.
ABB työllistää Aallon tohtoreita
Asad Awan vastaa Teams-puheluun ABB:n Pitäjänmäen konttorilla. Korona-aikaan puolet tuotekehitysinsinsinöörin viikosta menee kotikonttorilla Espoossa, puolet toimistolla. Nyt hän tekee töitä uuden moottorinohjausohjelmiston parissa. Väitöskirjan tuloksia on tulossa ABB:n tuotteisiin lähitulevaisuudessa, Asad Awan lupaa.
Työkavereista moni muukin on tekniikan tohtori. ABB on houkutellut sähkömoottoriosaajia Aallon ja suomalaisyliopistojen lisäksi ympäri Eurooppaa. ABB:n tahtimoottorien moottorinohjauksen tuotekehitys tehdään pääasiassa Suomessa.
Ensi vaiheessa Awanin tutkimusideat päätyvät teollisuuden yleismoottoreihin. Tuoreen tohtorin toive on, että tulevaisuudessa niitä päästään hyödyntämään myös esimerkiksi raskaissa työkoneissa tai nopeakäyntisissä ajoneuvomoottoreissa. Haastavammissa sovelluksissa hyödyt olisivat vielä suuremmat.
Globaalissa yrityksessä työmahdollisuuksia olisi ympäri maailmaa. Suomessa seitsemän vuotta asunut Asad Awan on kuitenkin kotiutunut hyvin Suomeen.
– Ei ole minkäänlaisia suunnitelmia muuttaa mihinkään. Täällä on niin rauhallista, 11 miljoonan asukkaan Lahoressa aiemmin asunut Awan nauraa.
Viime vuonna oli väitöskirjan lisäksi toinenkin iloinen perhetapahtuma: Awanien perheeseen syntyi tytär.
Tahtimoottorit valtaavat alaa
Nikola Tesla (1856–1943) kehitti 1880-luvulla vaihtovirtaa käyttävän oikosulkumoottorin, jonka keskeiset periaatteet ovat edelleen käytössä nykysähkömoottoreissa.
Perinteisten oikosulku- eli induktiomoottorien osuus teollisuuden sähkömoottoreista on yli 90 prosenttia. Ne ovat toimintavarmoja ja halpoja.
Uudet energiatehokkaammat sähkömoottorit ovat kuitenkin valtaamassa alaa. Uusia moottorityyppejä on monia, mutta niillä on yksi yhteinen piirre. Ne ovat niin sanottuja tahti- eli synkronimoottoreita. Tahtimoottori on saanut nimensä siitä, että sen roottori pyörii tahdissa lukkiutuneena staattorin magneettikenttään. Oikosulkumoottori taas on epätahtimoottori. Sen roottori pyörii kuormitettuna staattorin magneettikenttää hitaammin eli pienellä jättämällä.
Aalto-yliopiston professori Marko Hinkkanen kertoo, että tahtimoottori on säätöteknisesti edeltäjäänsä hankalampi. Sen energiatehokas ajaminen säätäminen on huomattavasti oikosulkumoottoria vaikeampaa.
– Tahtimoottorin säätöön liittyy monia asioita. Juuri näitä menetelmiä Asad Awan kehitti väitöstyössään.