Sähkömoottorin akseli

Transkriptio

1 Tekijä: Daniel Haaranen Yhteystiedot: Mekaaniset ominaisuudet Pohdittaessa materiaalivalintaa sähkömoottorin akselille materiaalin tärkeimmät mekaaniset ominaisuudet ovat erilaiset lujuudet. Akseli on moottorin tärkeimpiä osia, ja sen rikkoutuessa moottori ei toimi. Sähkömoottorissa akseliin kohdistuu leikkausjännityksiä akselin muuttaessa pyörimisen väännöksi, taipumisjännityksiä akselissa olevista osista ja sen omasta painosta johtuen sekä näiden yhdistelmistä aiheutuvia jännityksiä. Näin ollen akselin tärkeimmät materiaaliominaisuudet ovat kimmokerroin (Youngin moduuli), liukukerroin ja puristuskerroin, joita yhdessä sanotaan elastisiksi kertoimiksi. Kimmokerroin kuvaa kappaleen venymistä venyttävän voiman vaikutuksesta, joka määrää kappaleen kimmorajan (myötörajan). Kimmokerroin on kimmorajan alapuolella vakio. Kun vetosauvaa kuormittava jännitys on kimmorajaa suurempi, saavutetaan niin sanottu plastinen alue, jossa jännityksestä aiheutuu materiaaliin pysyvä muodonmuutos. Kuvassa. lineaarisen osan jälkeen kappaleessa tapahtuu pysyvä muodonmuutos. Tahdomme siis akselillemme suuren kimmokertoimen, jotta se kestää painetta muuttamatta muotoaan merkittävästi ja pysyvästi. Liukumoduuli kuvaa muuten samaa asiaa kuin kimmokerroin, mutta jännityksen tilalla on leikkausjännitys, joka aiheutuu kappaleen pinnan suuntaisesta voimasta. Puristuskertoimessa kyseessä on kappaleen kaikkiin pintoihin kohdistuvan paineen muutoksen suhde sen aiheuttamaan tilavuuden muutoksen suhteeseen. Haluamme siis liukukertoimen ja puristuskertoimen olevan arvoltaan suuria. Kuva. Jännitysvenymäkäyrä Muita tärkeitä mekaanisia ominaisuuksia, joita akselilla täytyy olla on esimerkiksi kovuus, vetolujuus, plastisuus ja hitausmomentti. Kovuus on materiaalin kyky vastustaa naarmuuntumista. Jos akselilla on kovuus on arvoltaan pieni, se saattaa naarmuuntua tietyistä kohdista, joka lisää sen riskiä rikkoutua. Kovuutta on vaikea mitata absoluuttisesti ja sitä mitataankin monilla eri asteikoilla, joita käsitellään tilastollisesti. Yleisesti voidaan kuitenkin todeta, että suurin osa metalleista on kovia. Vetolujuus kuvaa kappaleen kykyä vastustaa vastakkaisiin suuntiin vetävää voimaa. Kappaleen maksimaalinen vetolujuus on suurin jännityksen arvo enne kuin se hajoaa. Kuvassa. maksimaalinen vetolujuuden arvo on käyrän päätyttyä, kohdassa fracture. Maksimaalinen vetolujuuden arvo tulee siis olla suuri, jotta akseli kestää jännitystä murtumatta. Plastisuus liittyy jo käsiteltyyn myötörajaan. Plastinen materiaali muuttaa jo pienillä voimilla helposti muotoaan pysyvästi eli sen myötöraja on pieni Toisaalta plastisessa materiaalissa voidaan tehdä suuria muodonmuutoksia ilman, että se murtuu. Plastisuuden vastakohta on hauraus. Hauras materiaali murtuu ilman merkittäviä pysyviä muodonmuutoksia eli sen suurin vetolujuuden arvo on lähellä myötörajaa. Emme kuitenkaan halua, että arvoltaan pienet leikkausvoimat voivat muuttaa akselin muotoa pysyvästi, joten plastisuuden tulee olla arvoltaan pieni. Sähkömoottorin akseli pyörii oman akselinsa ympäri toimien siis osana joka muuttaa sähköenergiaa mekaaniseksi energiaksi. Akselin pyörimisen kannalta tärkeä pyörimiseen liittyvä ominaisuus on siis hitausmomentti. Hitausmomentti ei ole materiaalin ominaisuus, mutta materiaalin massa on, joka vaikuttaa hitausmomentin suuruuteen. Kuvasta 2. nähdään miten massan ja säteen avulla lasketaan akselin hitausmomentti. Pienellä massalla saavutetaan pienempi hitausmomentti, joka vähentää tarvittavan voiman suuruutta, jolla akseli saadaan pyörimään. Toisaalta suurella massalla ja hitausmomentilla akseli pyörii pidempään ilman jarruttavia voimia. On siis otettava huomioon eri materiaalien massoja kun valitaan sähkömoottorillemme akselia. Materiaalivalinnat Vertaillaan kolmen eri materiaaliryhmän materiaalien soveltuvuutta sähkömoottorin akseliksi. Valitaan vertailun kohteeksi metallit, muovit (polymeerit) ja keraamit. Kuva 3. Sähkömoottori Keraamit Keraamit ovat epäorgaanisia aineita, joita valmistetaan korkeissa lämpötiloissa. Raaka-aineina niissä on usein metallioksidit, nitridit tai karbidit. Keraamiset aineet voivat olla atomirakenteeltaan kiteisiä tai amorfisia, joka vaikuttaa merkittävästi niiden ominaisuuksiin. Keraamien yleisimmät ominaisuudet ovat suuri sulamislämpötila, suuri kovuus, alhainen tiheys, hauraus, huono sähkönjohtavuus, suuret elastiset kertoimet, korroosion kestävyys ja alhainen tiheys. Keraamien suuret elastiset kertoimet johtuvat usein niiden kiderakenteesta. Atomit järjestyvät jaksoittain niin, että kiteen energia tulee mahdollisimman pieneksi, jolloin atomien väliset sidokset ovat vahvoja. Timantti on hyvä esimerkki atomirakenteeltaan kiteisestä keraamista (kuva 4.). Keraamien suurten elastisten kertoimien vuoksi ne kestävät hyvin mekaanista rasitusta, joka on tärkeimpiä ominaisuuksia akselillemme. Korroosion kestokyky on myös tärkeä ominaisuus, sillä moottorin täytyy toimia pitkiä aikoja usein korroosiota aiheuttavissa olosuhteissa. Keraamien ongelmaksi jää niiden hauraus. Keraamit usein murtuvat ennen kuin alkavat muovautua plastisesti. Tämä tarkoittaa, että akselimme rikkoutuu, kun siihen kohdistuu tarpeeksi suuri jännitys Esimerkiksi metalleissa samassa jännityksessä akseli ei rikkoudu vaan se saattaa hieman muuttaa muotoaan. Akseli täytyy siis olla tarvittaessa helposti vaihdettavissa, jos se valmistetaan keraamisista aineista. Kuva 4. Timantin atomirakenne Metallien heikkous piilee akselimme kannalta niiden korroosion herkkyydessään. Metallit reagoivat happojen kanssa muodostaen suoloja ja vetyä. Useimmat näistä kemiallisista reaktioista ovat haitallisia ja niitä kutsutaan korroosioksi. Korroosiossa materiaali muuttuu käyttökelvottomaan muotoon, esimerkiksi kun rauta ruostuu. (kuva 5.) Kuva 5. Ruostetta Muovit Muovit ovat muodostuneet hiili- tai piiatomien pitkistä molekyyliketjuista, joita kutsutaan polymeereiksi. Muoveja on lukemattomia erilaisia laatuja, mikä johtuu muoviraaka-aineiden ja lisäaineiden suuresta määrästä. Yleisiesti voidaan sanoa, että kemiallisen rakenteen takia muovit ovat usein hyvin muovattavissa. Muita yleisiin ominaisuuksiin voidaan lukea keveys ja lujuus suhteessa massaan, hyvä korroosion kesto, huono sähkönjohtavuus, huono lämmönjohtavuus ja pienet elastiset kertoimet. Muovinen akseli on huonoin valinta akselillemme, sillä muovit eivät kestä mekaanista rasitusta yhtä hyvin kuin keraamit sekä metallit. Molekyylien välinen sidos on heikompi kuin kovalenttinen-, ioni- ja metallisidos. Kuvassa 6. on vertailtu eri materiaalien kimmokerrointa. Kuva 6. Eri materiaalien kimmokerroin Sähkömoottorin akselin materiaalivalinta Valitaan akselimme materiaaliksi metalleista niin kutsuttu runsashiiliteräs. Sen elastiset kertoimet ovat suuret ja se on halpaa. Rautaan on lisätty hiiltä, jolloin saadaan terästä. Tämä tekee materiaalista kestävämpää, vähemmän haurasta ja sitkeämpää. Kuva 7. kertoo teräksemme kimmokertoimet. Kuva 7. Runsashiiliteräksen elastiset kertoimet Materiaaliksi olisi voinut valita jonkun keraamin, mutta teräksen halvuuden ja sitkeyden vuoksi valitaan se. Teräs on kuitenkin tiheydeltään suurempaa kuin keraamiset materiaalit eli sen massa on suurempi, jollin akselimme hitausmomentti on suurempi. Tämä tarkoittaa että sen pyörittämiseen tarvittava voima on suurempi, mutta se pyörii pitempään ilman hidastavia voimia. Kuva 2. Akselin hitausmomentti Metallit Metallit voivat olla seoksia tai alkuaineita. Niitä koossa pitäviä atomien välisiä sidoksia sanotaan metallisidoksiksi. Metallit esiintyvät usein kiteisinä, mutta jotkin metalliseokset voivat olla amorfisia. Metallien ominaisuuksiin luetaan hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus, suuri tiheys, suuret elastiset kertoimet, venyvyys ja suuri sulamispiste. Metalleilla on akselimme kannalta joitakin samoja hyviä ominaisuuksia kuin keraameilla. Suuret elastiset kertoimet metalleissa johtuvat metallisidoksesta, jossa metallikationeiden välissä on vapaasti liikkuvia elektroneja. Jokainen metalliatomi ikään kuin jakaa kaikki ulkoelektroninsa muiden metallien kanssa. Kuten keraameilla kovalenttisistä ja ionisidoksista muodostuneet kiderakenteet, metallisidos on hyvin vahva. Metallien etu keraameihin verrattuna on niiden valmistuksen helppous, sillä suurissa lämpötiloissa ne ovat taottavia tai valettavia. Kuva 8. Teräksinen akseli [] [2] CES EduPack 206 [3] [4]

2 n materiaali Tekijä: Joel Määttänen Lähtökohta Lähtökohtana oli selvittää paras materiaali sähkömoottorin akselille. Tutkimus aloitettiin määrittämällä sähkömoottorin akselin materiaalilta vaadittavat ominaisuudet. Tärkeiksi ominaisuuksiksi valittiin selvityksen perusteella: suuri veto- puristus- ja leikkauslujuus, materiaalin naarmuuntumattomuus, mahdollisimman pieni hinta, mahdollisimman pieni tiheys ja termodynaaminen kestävyys niin että materiaali pysyy kestävänä vähintään 0 Celsiuksen lämpötilassa. Selvityksessä käytettiin lähteenä CES-ohjelmistoa, ABB:n moottoriopasta ja materiaalitekniikan kirjaa. ABB:n oppaassa mainitaan, että yleensä sähkömoottoreiden akselit tehdään kuumavalssattusta teräksestä. Oppaassa kerrotaan, että sähkömoottorin akselin materiaali ja koko kannattaa optimoida moottorin käyttötarkoituksen mukaan. Esimerkiksi moottorin luotettavuus muuttuu sen mukaan kuinka usein sitä käytetään. Koska tehtävänannossa ei olla spesifioitu moottorin käyttötarkoitusta valitaan materiaali niin että se sopii mahdollisimman moneen sähkömoottoriin. Valintaan vaikuttavat tekijät Metallien vertailussa otetaan huomioon 6 materiaalin ominaisuutta: Youngin moduuli, leikkausmoduuli, tiheys ja hinta. Kaikki arvot saadaan CES-ohjelmistolla. Paras materiaali valitaan vertailemalla CES-ohjelmistolla materiaalien ominaisuuksia.youngin moduulia käytetään vertailussa, sillä se kuvailee hyvin materiaalin venytys- ja puristusjännityksen aiheuttamaa muodonmuutosta kappaleessa. Leikkausmoduulia käytetään vertailussa koska se kuvaa kuinka hyvin materiaalin muoto kestää leikkausjännitystä. Akselin muodon tulee pysyä mahdollisimman muuttumattomana, että sen pyöriminen ei häiriintyisi. Akseli ei saa myöskään murtua suurien voimien kohdistuessa siihen, joka otetaan huomioon vertailemalla materiaalien venytys- ja puristuslujuuden arvoja. Kuvaaja 2. y-akselilla hinta ja x-akselilla top 3 materiaaliryhmät Metallit ja metalliseokset Metallien ja metalliseosten ryhmä jakaantuu rautapitoisiin ja raudattomiin metalleihin. Materiaaleja ryhmässä on yhteensä 29 joista rautapitoisia on seitsemän. Rautapitoisissa metalleissa on valurauta ja teräs. Raudattomissa materiaaleissa on esimerkiksi kulta ja hopea. Vertaillaan metalleja laskemalla jokaiselle metallille sen Youngin moduulin ja leikkausmoduulin tulo jaettuna materiaalin hinnalla. Tämä arvo maksimoituu kun materiaalin muodonmuutosominaisuudet ovat hyvät ja hinta on pieni. kuvaaja 3. y-akselilla leikkausmoduulin ja Youngin moduulin tulo ja x-akselilla rautapitoiset ja raudattomat metallit Kuvaajasta 3 nähdään että rautapitoiset materiaalit ovat muodonmuutos/hinta suhteeltaan parhaita materiaaleja akseliksi. tapitoisia metalleja ovat: matalan hiilipitoisuuden teräs, hiilipitoinen teräs, korkean hiilipitoisuuden teräs, pallografiittivalurauta, ruostumaton teräs, niukkaseosteinen teräs ja harmaa valurauta. Valitaan näistä materiaaleista sopivimmat yksilöt. Analyysi Riippuen sähkömoottorin koosta ja siinä vaikuttavista voimista korostuu materiaalin tiheyden tärkeys. Pienissä sähkömoottoreissa akselin tiheyden kannattaa olla alhainen, että käämi pystyy sujuvasti pyörittämään akselia. Teräksillä tiheys ja kovuus ovat hyvin samanlaisia. Pallografiittivalurauta poikkeaa teräksistä pienemmällä tiheydellä ja hinnalla. Toisaalta myös sen lujuusominaisuudet ovat huonommat, ja se kuluu nopeammin alhaisemman kovuuden takia. Koska akselin tulee olla käyttökelpoinen mahdollisimman monessa moottorissa, valitaan materiaali teräksistä. Teräkset ovat muuten hyvin samanlaisia mekaanisilta ominaisuuksiltaan paitsi kovuudelta ja vetolujuudelta. Niukkaseosteinen teräs eroaa muista teräksistä selvästi korkeammalla hinnalla. Jotta sähkömoottori olisi mahdollisimman luotettava sen täytyy kestää kulutusta mahdollisimman pitkään. kovuuden arvo kuvaa kuinka hyvin materiaali kestää kulutusta. Kuvaajassa 5 vertaillaan teräksiä kovuuden, vetolujuuden ja puristuslujuuden tulolla. Kuvaaja 5. y-akselilla kovuuden, veto- ja puristuslujuuden tulo ja x-akselilla vertailtavat metallit Teräksestä valmistettu kiinnike Kuvaaja. y-akselilla Youngin moduuli ja x-akselilla leikkausmoduuli Materiaaliryhmien ominaisuudet Kuvaajasta nähdään, että teknisillä keraameilla, komposiiteilla ja metalleilla on parhaat muodonmuutosominaisuudet. Vaikka keraamit ovat muodonmuutoksiltaan stabiileja murenevat ne helposti kiderakenteen takia. Mureneminen johtuu huonosta vetolujuudesta. Esimerkiksi ensimmäiseksi sijoittuneen keraamin(- Volfram karbidi) vetolujuus on MPa.Komposiitit kestävät huonosti korkeita lämpötiloja(alumiini/ silikoni karbinia lukuunottamatta) ja keraameilla on huono vetolujuus ja kovuus. Metalleilla on parhaat lujuusominaisuudet, ne kestävät korkeita lämpötiloja, niillä on hyvä kovuus, vetolujuus ja niiden muodonmuutokset ovat pieniä. Kuvaajasta 2 Nähdään että metallit ovat halvempia kuin tekniset keraamit ja komposiitit. Tällä perusteella valitaan materiaali metallien ja metalliseosten ryhmästä. Kuvaaja 4. x-akselilla rautapitoiset materiaalit ja y-akselilla Youngin moduulin ja leikkausmoduulin tulo jaettuna hinnalla. Metallin valinta Suurin muodonmuuttumattomuus/hinta suhde on korkean ja matalan hiilipitoisuuden teräksellä, hiilipitoisella teräksellä, pallografiittivaluraudalla ja niukkaseosteisella teräksellä. Tarkastellaan näiden materiaalien ominaisuuksia. Korkean hiilipitoisuuden teräs Youngin moduuli GPa Leikkausmoduuli GPa Kovuus(Vickers) HV Hinta EUR/kg Hiilipitoinen teräs Youngin moduuli GPa Leikkausmoduuli GPa Kovuus(Vickers) HV Hinta ,54 EUR/kg Matalan hiilipitoisuuden teräs Youngin moduuli GPa Leikkausmoduuli GPa Kovuus(Vickers) 8-73 HV Hinta EUR/kg Pallografiittivalurauta Youngin moduuli GPa Leikkausmoduuli 64-7 GPa Kovuus(Vickers) HV Tiheys 7.05e3-7.25e3 kg/m^3 Hinta EUR/kg Niukkaseosteinen teräs Youngin moduuli GPa Leikkausmoduuli GPa Kovuus(Vickers) HV Hinta EUR/kg Lopputulos Matalan hiilipitoisuuden teräksellä on selvästi huonoin arvo, joten sitä ei valita. Muilla teräksillä on suuret arvon vaihteluvälit ja ne ovat muuten pitkälti samanlaisia paitsi Niukkaseosteisen teräksen hinta on korkeampi kuin korkean hiilipitoisuuden teräksen ja hiilipitoisen teräksen hinta. Niukkaseosteinen teräs voi laadusta riippuen olla kuitenkin paras materiaaliominaisuuksiltaan. Suuren vaihteluvälin takia ei kuitenkaan ole järkevää maksaa ylimääräistä mahdollisesta kasvusta kestävyydessä. Näin ollen päädyn valitsemaan Korkean hiilipitoisuuden teräksen akselin materiaaliksi. Se on lujuusominaisuuksiltaan hyvä materiaali, se kestää hyvin kulutusta, muodonmuutoksia sekä korkeita lämpötiloja. Lähteet: ABB Moottoriopas: 40c2256d28002bfd63/Moottoreiden%20laatuopas% pdf CES-ohjelmisto Wikipedia:

3 Tekijä: Katri Suistio Yhteystiedot: Taustatekijät Sähkömoottorin akselia käytetään siirtämään moottorin tuottama mekaaninen työ ulkoiseen laitteeseen. Koska moottorin akseli joutuu kestämään jännitystä, taivutusta, puristusta ja vääntöä, tulee materiaalia valitessa ottaa huomioon sen ominaisuuksien soveltuvuus akselimateriaaliksi, jotta varmistetaan moottorin tehokas ja turvallinen toiminta. Akselit suunnitellaan siten, että materiaalin jäykkyys on mahdollisimman suuri, jotta minimoidaan sen taipuminen. Akselin on kestettävä suuria jännityksiä, jotta vältyttäisiin murtumisilta ja laitteen rikkoutumiselta. Materiaalin kovuutta tulee myös tarkastella, sillä akselin tulee kestää suurta kulutusta ilman muotoa muuttavia kulumisia kuten naarmuja. Onkin tärkeä tietää, millainen on materiaalin jännitys-venymä-kuvaaja. Siitä pystymme määrittämään Youngin moduulin, joka kuvaa materiaalin jäykkyyttä. Mitä suurempi materiaalin Youngin moduuli on, sitä vähemmän se venyy ja muuttaa muotoaan kuormituksen kasvaessa. Kuvaajasta näemme myös myötörajan, jonka jälkeen materiaali ei enää käyttäydy Hooken lain mukaisesti. Tällöin venymä ei kasva lineaariesti kuorman kasvaessa. Mitä suurempi materiaalin myötöraja on sitä paremmin kappale kestää myötämättä eli ilman pysyviä muodonmuutoksia. Kuvaajan korkein kohta määrittää murtoluujuden. Jos kappaletta kuormitetaan yli tämän pisteen, se murtuu. [],[2] Keraamit eroavat metalleista siten, että keraameilla ei ole metalleille ominaista plastista muodonmuutosaluetta, vaan materiaali murtuu, kun ylitetään sallittu jännitys. Keraamit ovatkin lujia, mutta hauraita. Akselimateriaaleissa keraamit, kuten Piinitridi, tulevat kysymykseen erikoiskäyttötarkoituksissa, sillä keraami materiaalina on hyvin kallista. [6] Komposiitit ovat yhdisteitä edellisitä materiaaliryhmistä. Komposiiteilla saavutetaan materiaaliominaisuuksia, joita ei välttämättä esiinny jossakin materiaalissa, mutta yhdistämällä se keraamin, metallin ja/tai polymeerin kanssa, siitä saadaan oiva materiaali. Esimerkiksi keraamisten aineiden sekoittaminen metalliin (Alumiini-Piikarbidi), kasvattaa aineen lujuutta ja käyttölämpötilaa sekä ehkäisee korroosiota ilman, että aineen paino kasvaa huomattavasti. Komposiittiyhdisteitä käytetäänkin paljon autoteollisuudessa pienten moottorien akselien valmistukseen. [4] Polymeerit sisältävät plastisia ja kumisia materiaaleja. Niiden mekaaniset ominaisuudet ovat vastakohta metallisille ja keraamisille aineille. Ne muovautuvat helposti erilaisiin muotoihin ja ovat pehmeitä aineita, kuten polykarbonaatin Youngin moduulin ja kovuuden arvoista kuvassa 3 voi päätellä. Polymeerit eivät siis sovellu akselimateriaaliksi. [4] Metallit Youngin moduuli (GPa) Kovuus (HV) myötöraja (MPa) murtolujuus (MPa) Ruostumaton teräs Korkeapitoinen hiiliteräs Matalapitoinen hiiliteräs Komposiitit Al-SiC Yield strength (elastic limit) (MPa) , 0,0 Kuva 6. Myötörajan suuruus materiaaliryhmittäin. [7] Hardness - Vickers (HV) , Silicon carbide Keraamit Piinitridi (Si3N4) ,0 0,00 Polymeerit Polykarbonaatti (PC) 2-2,44 7,7-2, ,4 Kuva 7. Materiaalin kovuuden suuruus materiaaliryhmittäin. [7] Kuva 3. Taulukko eri materiaalien mekaanisista ominaisuuksista [7] Kuva. Sähkömoottorin rakenne [3] Eri materiaalien soveltuvuus Riippuen siitä mihin käyttötarkoitukseen sähkömoottori suunnitellaan, sen akselimateriaali voi vaihdella metallien, keraamien ja komposiittien välillä. Metallit koostuvat yhdestä tai useammasta metallisesta elementistä. Metallit jakautuvat rauta-pohjaisiin ja ei-rautapohjaisiin metalleihin. Atomit metalleissa ja niiden seoksissa ovat järjestäytyneet hyvin järjestelmällisesti ja muihin materiaaliryhmiin verrattuna suhteellisen tiheästi. Mekaanisilta ominaisuuksiltaan metallit ovat jäykkiä ja lujia sekä kestävät suurtakin rasitusta ilman murtumista. [4] Metalleissa vallitseva sidostyyppi atomien välillä on metallisidos. Metallisidokset ja niihin liittyvät delokasoituneet vapaasti liikkuvat elektronit sallivat metallikiteessä kidehilan atomitasojen liukua toisiinsa nähden ilman, että kiderakenne rikkoutuu. Metallien hyvä muokattavuus eli sitkeys voidaankin selittää tällä. [4] Metallien kiderakenteista pintakeskinen kuutiollinen (pkk), tilakeskinen kuutiollinen (tkk) ja heksagonaalinen tiivispakkaus (htp) ovat tärkeimpiä. Metallien lujuusominaisuudet pohjautuvat kiderakenteisiin ja niiden virheisiin. Esimerkiksi hiiliteräs on sitä lujempaa, mitä enemmän hiiltä liuotetaan rautaseokseen. Hiili toimii ns. välisija-atomina rautaseoksen kiderakenteessa. Helppo liuottaminen rautaseokseen perustuu kiderakenteeseen. Ruostumattomassa teräksessä rautaseokseen puolestaan on liuotettu kromia ehkäisemään ruostumista. [4] Hiiliteräs Hiiliteräs on yleisin akselimateriaali sähkömoottoreissa. Hiiliteräksen materiaaliominaisuudet määräytyvät hiilipitoisuuden mukaan. Mitä suurempi hiilipitoisuus on, sitä suurempi kovuus ja lujuus materiaalilla on. Kuitenkin korkeampi hiilipitoisuus heikentää metallin sitkeyttä, hitsattavuutta ja työstettävyyttä. Hiiliteräs voidaan luokitella kolmeen tyyppiin: matalapitoiseen (<0,25%), keskipitoiseen (0,25%-0,70%) ja korkeapitoiseen hiiliteräkseen(0,70%-,5%). Useimmat akselit tehdään hiiliteräksestä, jonka pitoisuus on 0,2%-0,5%. Metallin mekaanisia ominaisuuksia voidaan myös parantaa kuumamuokkauksella. Esimerkiksi kun korkeapitoista hiiliterästä lämmitetään 700 celsiusasteiseksi 30 tunnin ajaksi, materiaalista tulee pehmeämpää, jolloin sitkeys paranee. Vastaavasti matalapitoisesta hiiliteräksestä voidaan saada jäykempää erilaisella kuumamuokkaustekniikalla. [] Hiiliteräs on hyvä vaihtoehto sähkömoottorin akselin materiaaliksi, sillä se on paljon edullisempaa kuin keraamiset materiaalit. Hiiliteräksellä on suuri Youngin moduuli, joten se on lujaa ja kestää kuormitusta ilman pysyviä muodonmuutoksia. Hiiliteräs on hiilen ansiosta myös kovaa materiaalia, jolloin se kestää kulutusta. Hiiliterästä pystyy kuitenkin muovaamaan ja työstämään haluttuun muotoon ilman, että se murtuu korkean murtolujuuden ansiosta. Cast iron, ductile (nodular) Akselin materiaalin valinnassa tulee ottaa niin mekaaniset, termiset kuin taloudellisetkin ominaisuudet huomioon. Materiaalin valintaan ei ole yhtä oikeaa ratkaisua, vaan se riippuu mihin ympäristöön sähkömoottori ja sen akseli sijoitetaan ja mitkä materiaaliominaisuudet asetetaan etusijalle. Toimiiko sähkömoottori millaisissa lämpötiloissa? Halutaanko, että materiaalikustannukset ovat alhaiset? Kuinka kulutuskestävää materiaalin tulee olla, jotta käyttöikä olisi mahdollisimman pitkä? Kuinka hyvin materiaalin tulee kestää kuormitusta ja vääntöä? Mekaanisista ominaisuuksista tärkeimpiä ovat materiaalin jäykkyys, lujuus ja kovuus. Niitä voidaan arvioida materiaalin Youngin moduulin, myötörajan ja murtolujuuden avulla. [] Tong, Wei: Mechanical Design of Electric Motors, 204, Chapter 3 [2] Callister, Rethwisch: Materials science and engineering an introduction, 8 th edition, Chapter 6 [3] ABBn%20moottorikoulutusmateriaali_%20204.pdf (9..207) [4] Callister, Rethwisch: Materials science and engineering an introduction, 8 th edition, Chapter -3 [5] (..207) [6] (..207) [7] CES EduPack206 0 Young's modulus (GPa) 0, 0,0 0,00 Kuva 4. Youngin moduulin suuruudet materiaaliryhmittäin [7] Kuva 2. Pintakeskinen kuutiollinen (pkk), tilakeskinen kuutilonen (tkk) ja heksagonaalinen tiivispakkaus kiderakenne (htp) [5] 00 Keraamit ovat metallien ja ei-metallisten elementtien kuten oksidien ja nitridien yhdisteitä. Niiden mekaaniset ominaisuudet ovat verrattavissa metallien ominaisuuksiin: Ne ovat jäykkiä sekä lujia, mutta myös todella kovia. Keraamien suurin etu onkin, että se kestää todella suurta kulutusta, mutta on samalla kevyt materiaali. Keraamit ovat eristeitä ja niiden sulamislämpötila on korkeampi kuin metalleilla, joten ne soveltuvat myös metalleja paremmin käyttötarkoituksiin, joissa lämpötila on korkea. [6] Tensile strength (MPa) 0 Keraameissa on kovalenttisia ja ionisidoksia. Sidosenergia on todella korkea näissä sidostyypeissä, mikä vaikuttaa materiaalin lujuuteen. Lujuus on joko metallien suuruusluokkaa tai suurempi. Mitä suurempi sidosenergia, sen suurempi on kimmomoduuli. Keraamit eivät siis helposti veny rasittavan voiman vaikutuksesta. [6] Kuva 5. Murtolujuuden suuruudet materiaaliryhmittäin [7]

4 Tekijä: Neea Huttunen Yhteystiedot: Johdanto Erilaiset materiaalivaihtoehdot Materiaalin valinta Tutkin tässä työssä, mikä materiaali kannattaisi valita sähkömoottorin akseliin. Akseliin voi valita monenlaisia materiaaleja, mutta juuri oikean materiaalin valitseminen tiettyä käyttötarkoitusta varten on usein haastavaa, tai jopa mahdotonta. Eri materiaalityypeillä on erilaisia ominaisuuksia, jotka voivat olla hyödyllisiä käyttökohteessa, mutta materiaalilla saattaa olla myös ominaisuuksia, jotka estävät sen käytön hyvistä ominaisuuksistaan huolimatta. Uusia materiaaleja kehitetään koko ajan ja uudet materiaalit saattavat osoittautua hyvinkin hyödyllisiksi erilaisissa käyttökohteissa sekä taloudellisuuden että ominaisuuksien puolesta. Toisaalta uusien materiaalien käyttäytymistä erilaisissa ympäristöissä ei aina voida ennustaa, minkä takia joskus on parempi hyödyntää tunnettuja materiaaleja. Sähkömoottorin toiminta Sähkömoottori on kone, joka muuttaa sähköistä energiaa mekaaniseksi energiaksi. Sähkömoottorin toiminta perustuu magneettisuuteen ja sähkömoottori voidaan tehdä toimimaan joko tasavirralla tai vaihtovirralla. Sähkömoottori koostuu yksinkertaisimmillaan virtalähteestä, johdinsilmukasta ja magneetista. Sähkömoottorin akselin materiaalin täytyy olla siis lämmönkestävää, eikä se saa hajota helposti varsinkaan sirpaloitumalla, jottei se hajota koko konetta. Roottorin, joka usein on kiinni akselissa, täytyy olla magneettinen. Nämä ominaisuudet aiheuttavat rajoituksia materiaalien valintaan. Eri materiaalityyppejä ovat esimerkiksi polymeerit, keraamit ja metallit. Polymeerit ovat yleensä orgaanisia aineita, esimerkiksi hiilivetyjä. Polymeerit ovat suuria molekyylejä, joiden sisällä on kovalenttisia sidoksia ja ulkoisesti ne vaikuttavat toisiinsa yleensä heikoilla dispersiovoimilla, mutta myös vahvemmat vetysidokset voivat olla mahdollisia polymeerin sisältämistä aineista riippuen. Muotoiltavuuden puolesta esimerkiksi erilaiset muovit voisivat olla vaihtoehto akselin materiaaliksi. Toisaalta polymeerien väliset heikot sidokset eivät välttämättä kestä korkeita lämpötiloja ja ne voisivat syttyä palamaan. Tällöin akseliin pitäisi valita korkeita lämpötiloja kestävä muovi, ja moottorissa pitäisi olla hyvä jäähdytys ja hyvä hyötysuhde, jotta hukkalämpöä ei synny niin paljoa. Fracture toughness (MPa.m^0.5) Sähkömoottorin akselin materiaaliksi voisi löytyä toimivia vaihtoehtoja muistakin materiaaliryhmistä, mutta metalliryhmästä ja komposiiteista vaikuttaa löytyvän parhaimpia ominaisuuksia käyttötarkoitukseen nähden, kuten muotoiltavuus ja kyky vastustaa säröytymistä. Parhaimpia materiaaleja näillä kriteereillä ovat niukkaseosteinen teräs (low alloy steel), ruostumaton teräs (stainless steel), kovateräs (high carbon steel), nikkeli ja nikkelipohjainen supermetalliseos. 5 Zirconia Tungsten alloys Nickel-based superalloys Low alloy steel Nickel Polylactide (PLA) Copper Brass 2,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Formability Kuva 5. Fracture toughness vs. Formability Kuva. Tasavirtamoottori ja vaihtovirtamoottori Magneettista tai magnetisoituvaa ainetta tarvitaan sekä pyörivään osaan (roottori) että paikallaan pysyvään osaan (staattori). Yleensä roottori on sähkömoottorin sisempi osa ja samalla se voi olla moottorin akseli. Sähkövirta aiheuttaa roottoriin magneettikentän, mikä saa roottorin pyörimään. Tällöin sähköinen energia muuttuu mekaaniseksi energiaksi [] Kuva 3. Kemialliset sidokset Keraamit ovat muita epäorgaanisia aineita kuin metalleja. Keraamit valmistetaan korkeissa lämpötiloissa. Keraameilla on yleensä hyvä lämmönkestävyys, hyvä kulutuksen ja korroosion kesto. Keraamien ongelmana on kuitenkin niiden hauraus. Jos akseli menee palasiksi, se voi rikkoa koko koneen. Myös keraamien muokattavuus voi olla hankalampaa kuin muiden materiaalityyppien. Metalleissa vallitsevat metallisidokset ovat kestäviä ja ne kestävät korkeitakin lämpötiloja. Metallit ovat myös helposti muokattavissa korkeissa lämpötiloissa, kun niiden sulamispisteet on saavutettu. Metalleilla on siis paljon akseliin tarvittavia ominaisuuksia, kuten lämmönkestävyys, kestävyys ja jotkut metallit ovat myös magneettisia. Metalleja on kuitenkin monenlaisia, minkä lisäksi vielä erilaisia metalliseoksia on useita. Haasteena onkin oikean metallin tai metalliseoksen valitseminen. [3] Kuvan 5 perusteella parhain materiaali akselille on niukkasaosteinen teräs, jos kestävyydelle antaa enemmän arvoa kuin muokattavuudelle, vaikkakin tuotantotavalla on sen kestävyydelle suuri merkitys. Niukkasaosteinen teräs on myös lämmönkestävää (n. 500 C) ja hyvin halpaa (n. 0,60 /kg). Myös ruostumaton teräs on kestävää ja melko hyvin muokattavaa. Sen etuna on myös hyvä korroosionkesto. Ruostumattoman teräksen haittana on sen korkea hinta (n. 6 /kg). Maximum service temperature ( C) Low alloy steel Nickel-based superalloys Nickel Low alloy steel Nickel Nickel-based superalloys Kuva 2. Oikosulkumoottori. D-päähän kiinnitetään työkone ja N-päässä sijaitsee tuuletin. [2] Kuva 4. Metallisidos Kuva 6. Maximum service temperature Lämmönkestävyys on myös yksi sähkömoottorin akselin materiaalin kriteereistä ja kovateräs sekä nikkeli ovat sen perusteella huonoja materiaaleja akselin materiaaleiksi. Halutut ominaisuudet Akseli voi pyöriä kovallakin nopeudella ja siihen kohdistuu usein erilaisia vääntäviä sekä puristavia ja venyttäviä voimia, minkä takia akselin täytyy olla kestävä eikä se saa murtua kovin helposti. Kitka ja hukkalämpö saattavat lämmittää akselia, mikä aiheuttaa akselin lämpenemistä. Materiaalin pitää olla siis sen verran lämmönkestävää, ettei se sula tai syty palamaan lämpenemisen vuoksi. Akseli pitää voida myös kiinnittää hyvin sähkömoottoriin ja muihin tarvittaviin osiin, minkä lisäksi sen pitää olla helposti muotoiltavaa. Roottorin pitää olla myös magnetisoituvaa ainetta, jotta sähkömoottorin toiminta olisi mahdollista. Sähkömoottoreita on erilaisia ja vaatimukset niiden akseleille vaihtelevat sähkömoottorityypistä riippuen. Nämä ominaisuudet ovat kuitenkin yleisesti tärkeitä sähkömoottorin akselille: Kestävyys Lämmönkestävyys Muotoiltavuus Komposiitit ovat kahden tai useamman materiaalin yhdistelmiä, joissa materiaalit eivät kuitenkaan ole sekoittuneet toisiinsa. Komposiiteissa voidaan yhdistää monen eri materiaalin hyviä ominaisuuksia. Esimerkiksi muovikomposiiteissa voi olla muovia ja keraamia tai metallia, jolloin muovi saa uusia ominaisuuksia kuten suuremman lämmönkestävyyden tai jopa sähkönjohtavuuden tai magneettisuuden. Komposiittien työstäminen voi kuitenkin olla hankalaa ja materiaalien yhdisteleminen voi aiheuttaa odottamattomia reaktioita ja ongelmia, minkä lisäksi ne voivat olla kalliita verrattuna muihin ratkaisuihin. [4] Nikkelipohjaiset supermetalliseokset vaikuttavat sopivan akselin materiaaliksi myös erittäin hyvin. Ne ovat helposti muotoiltavia, kestävät lämpöä ja säröytymistä hyvin, minkä lisäksi niillä on myös hyvä korroosionkesto. Huonona puolena on kuitenkin erittäin korkea hinta (n.20 /kg). Vaikka supermetalliseoksella näyttää olevan kaikista parhaimmat ominaisuudet, sen käyttökohde tuskin tarvitsee niin korkeita rajoja esimerkiksi lämmönkestävyydelle. [5] Sähkömoottorin akselin materiaaleiksi sopivat parhaiten joko ruostumaton teräs tai niukkaseosteinen teräs. Jos hinnalla ei ole väliä, nikkelipohjainen supermetalliseos sopii myös hyvin akselin materiaaliksi. [] Wikipedia: Electric motor. Saatavissa: [Viitattu..207] [2] Kauppi J. (202): Oikosulkumoottoreiden huolto ja mittaukset. Saatavissa: [3] Wikipedia: Materiaalitekniikka. Saatavissa: [Viitattu..207] [4] Vuorinen J., Mustakangas M. & Annala M. ( ): Komposiitit loputtomasti mahdollisuuksia. ( ). Saatavissa: _loputtomasti_mahdollisuuksi/9e832437f8e4e6f3e76e45b5d93d6bf [5] CES-ohjelmisto [Viitattu..207]

5 Tekijä: Tiia Kukkola Yhteystiedot: Johdanto Sähkömoottori on laite, joka muuttaa sähköenergiaa mekaaniseksi energiaksi. Sähkömoottorin toiminta perustuu magneettisuuteen, joka saadaan aikaan johtimissa kulkevan virran avulla []. Kuvassa on esimerkki jalkamallisesta sähkömoottorista. Sähkömoottorin akseli on olennainen komponentti moottorin toiminnan kannalta. Vetolujuus Vetolujuudella tarkoitetaan materiaalin ominaisuutta vastustaa vastakkaisiin suuntiin kohdistuvaa vetävää voimaa. Vetolujuus arvo ilmaisee, kuinka suurella voimalla kappaletta voidaan vetää eri suuntiin ilman, että kappale katkeaa. Vetolujuuteen liittyy materiaalille ominaisia raja-arvoja, joita ovat muun muassa murtolujuus ja myötöraja. [8]. Kuva. Sähkömoottori [2]. Materiaalin valinta Uuden tuotteen suunnittelussa on oleellista vertailla erilaisia materiaalivaihtoehtoja keskenään. Tuote voidaan valmistaa eri materiaaleista, jolloin tuotteelle saadaan erialaisia ominaisuuksia. Ei ole olemassa yhtä oikeaa materiaalia, vaan haluttu tuote voidaan usein valmistaa käyttämällä eri materiaaleja. Kun sähkömoottorin akselille valitaan sopivaa materiaalia, on otettava huomioon erilaisia taustatekijöitä. Taustatekijöitä ovat esimerkiksi: -kustannukset -haluttujen toimintojen asettamat vaatimukset -käyttöympäristön asettamat vaatimukset -valmistusmenetelmän vaatimukset. Luetellut taustatekijät vaikuttavat yhdessä tuotteessa käytettävään materiaaliin. Materiaalin valintaan vaikuttavia kustannuksia syntyy erivaiheissa materiaalin elinkaaren aikana. Esimerkiksi materiaalin valmistus, käyttö ja hävittäminen aiheuttavat kustannuksia. Sähkömoottorin akselin tulee valmistaa tarpeeksi kestävästä materiaalista, jotta se takaisi sähkömoottorin moitteettoman toiminnan. Kun tuotteelta vaaditaan haluttuja toimintoja, tuotteessa käytetyt materiaalit on valittava oikein. Lisäksi tuotteessa käytettyjen materiaalien tulee kestää käyttöympäristön aiheuttamat ongelmat kuten lämpötilan ja korroosion. Materiaalin valinnassa on aina otettava myös huomioon, että tuote on valmistettavissa järkevällä tavalla. [3]. Materiaalien mikrorakenteet Mikrorakenteella tarkoitetaan hyvin pienen mittakaavan rakennetta. Materiaalien erilaiset mikrorakenteet aiheuttavat erilaisia mekaanisia suhteita materiaaleissa. Metalleilla, polymeereillä, keraameilla ja komposiiteilla on erilaiset mikrorakenteet. Tässä tutkimuksessa päädyttiin tutkimaan metalleja ja metalliseoksia. Kyseisten materiaalien mikrorakenteet koostuvat metallihiloista. Metallihila koostuu positiivisista metalliatomeista, jotka tunnetaan myös metallikationeina ja negatiivisista elektroneista. Metallihila on metallien kiinteän olomuodon säännönmukainen rakenne. [4 ja 5]. Kuva 3. Metallien ja metalliseosten vetolujuuksia. Myötöraja Kun kappaleeseen kohdistuva voima ylittää kappaleelle ominaisen myötörajan, kappale alkaa muuttaa muotoaan. Kun kappaleeseen ei enää kohdistu voimaa, kappale ei palaudu entiselleen. Tämä johtuu siitä, että kappale menettää kimmoisuutensa, kun siihen kohdistuva voima ylittää kappaleelle ominaisen myötörajan. [9]. Kuva 4. Metallien ja metalliseosten myötörajoja. Leikkauslujuus Leikkauslujuudella ilmaistaan, kuinka suuri leikkaava voima voidaan kohdistaa kappaleeseen ilman, että kappale katkeaa []. Kuva 5. Metallien ja metalliseosten leikkauslujuuksia. Kovuus Kappaleen kovuus ilmaisee kappaleen kykyä vastustaa siihen kohdistuvia muodonmuutoksia []. Kovuus liittyy toisin sanoan aikaisemmin mainittuihin ominaisuuksiin. CES-ohjelmalla luotiin kuvaajia, joilla vertailtiin metallien ja metalliseosten ominaisuuksia. Vertaillut ominaisuudet liittyivät pitkälti materiaalien kovuuteen. Mitä kovempaa materiaali kappale on, sitä paremmin se säilyttää muotonsa. Kaikkia materiaaleja ei ole järkevää valita vain sen takia, että sen fyysiset ominaisuudet sopisivat tuotteelle. Tämän takia työssä tarkasteltiin myös metallien ja metalliseosten hintoja. Mitä alhaisempi materiaalin hinta on, sitä vähemmän materiaalihankinnat aiheuttavat tuottajalle kustannuksia. Toisin sanoan työssä etsittiin materiaalia, joka kestäisi jatkuvaa käyttöä teollisuudessa, mutta olisi samalla mahdollisimman halpaa. Metallien ja metalliseosten hintojen perusteella parhaita vaihtoehtoja ovat: -Cast iron, ductile (nodular) -Cast iron, gray - -Medium carbon steel - -Low alloy steel -Commercially pure lead -Age-hardening wrought Al-alloys -Non age-hardening wrought Al-alloys -Cast Al-alloys. Lueteltuja materiaaleja verrattiin muihin CES-ohjelmalla luotuihin kuvaajiin. Jokaisessa eri ominaisuutta kuvaavassa kuvaajassa keskityttiin ainoastaan kymmeneen parhaaseen materiaaliin. Kuvaajista etsittiin edullisia materiaaleja. Vertailussa käy ilmi, että edullisista materiaaleista vain osa pärjää ominaisuuksiltaan muille materiaaleille. Seuraavaksi on listattu materiaaleja, jotka ovat sekä edullisia että kestäviä. -Cast iron ductile - - -Low alloy steel -Cast Al-alloys Listatuista materiaaleista Low alloy steel pärjää vertailussa parhaiten niin hintansa kuin lujuutensa perusteella. Tämän vuoksi tutkimuksessa tullaan siihen tulokseen, että sähkömoottorin akseli tulisi valmistaa kyseisestä materiaalista. Low alloy steelin ansiosta sähkömoottorin akseli on mahdollisimman kestävä, mutta materiaalikustannuksiltaan myös edullinen. Jos tutkimuksessa olisi otettu huomioon tarkemmin akselin käyttöympäristöön liittyvät ominaisuudet, materiaalivalinta olisi mahdollisesti voinut olla toinen. Materiaalin valinta vaikeutuu, kun tuotteelta halutaan ominaisuuksia, jotka ovat toisiinsa nähden ristiriidassa. Tällaisia ovat esimerkiksi keveys ja lujuus. Tuotteiden materiaalivalinnoissa ei ikinä ole yhtä oikeaa vaihtoehtoa, vaan eri materiaaleilla voi olla samanlaisia haluttuja ominaisuuksia. Lopulliseen materiaalin valintaan ei vaikuta yksittäiset ominaisuudet kaikki materiaalin ominaisuudet yhdessä. Kuva 2. Metallihila [6]. Haluttuja ominaisuuksia Tutkittavaksi materiaaliryhmäksi valittiin tässä työssä metallit ja metalliseokset. Metalleille ja niiden seoksille on ominaista, että ne ovat käytössä kovia ja kestäviä, mutta niitä voidaan muokata korkeissa lämpötiloissa suhteellisen helposti [7]. Tutkimuksessa oletettiin, että sähkömoottorin akselin tulee kestää mahdollisimman hyvin siihen kohdistuvia voimia. Työssä ei puututtu käyttöympäristön aiheuttamiin ongelmiin kuten kuumuuteen tai korroosiota aiheuttaaviin olosuhteisiin. Tutkimuksessa vertailtiin metalleja ja metalliseoksia seuraavien ominaisuuksien perusteella: -vetolujuus (Tensile strength (MPa)) -myötöraja (Yield strength (elastic limit) (MPa)) -leikkauslujuus (Shear modulus (GPa)) -kovuus (Hardness - Vickers (HV)) -hinta (Price (EUR/kg)) Luetellut ominaisuudet liittyvät pääasiassa materiaalin fyysisiin ominaisuuksiin. Päätöksentekoon liittyy kuitenkin aina kysymys kustannuksista ja tuotteen hinnasta, joten tutkimuksessa selvitettiin myös materiaaleille ominaisia hintoja. Kuva 6. Metallien ja metalliseosten kovuuksia. Hinta [] Anonyymi, Wikipedia, saatavissa: viitattu: [2] Anonyymi, laakerinetti, saatavissa: viitattu: [3] Anonyymi, Tampereen Teknillinen Yliopisto, saatavissa: viitattu: [4] Anonyymi, Wikipedia, saatavissa: viitattu [5] Anonyymi, Wikipedia, saatavissa: viitattu [6] Anonyymi, Wikispaces, saatavissa: viitattu [7] Anonyymi, Wikipedia, saatavissa: viitattu [8] Anonyymi, Wikipedia, saatavissa: viitattu: [9] Anonyymi, Wikipedia, saatavissa: viitattu [] Anonyymi, Wikipedia, saatavissa: viitattu: [] Anonyymi, Wikipedia, saatavissa: viitattu Kuva 7. Metallien ja metalliseosten hintoja