sähkömoottori

Vanha maasturirahtikone muuttuu tulevaisuuden sähkölentokoneeksi

Ti, 11/28/2017 - 23:24 Jari Mäkinen
eFan-X -lentokone, missä on yksi sähkömoottori ja kolme perinteistä suihkumoottoria

Sähkömoottorilla varustetut pienkoneet ovat jo ilmassa, ja ellei lentoajan lyhyyttä oteta huomioon, ovat ne osoittautuneet oikein käteviksi. Seuraavaksi sähkö tulee suurempiin koneisiin: Airbus, Siemens ja Rolls-Royce tekevät sähköisen matkustajalentokoneen koeversion vuoteen 2020 mennessä.

E-Fan X -koekone perustuu brittitekoiseen BAe 146 -lentokoneeseen, joka sopii käyttöön erinomaisesti. Tässä alun perin Iso-Britannian armeijan pieneksi, Land-Roverin ja sen miehistön lennättämiseen tarkoitetuksi kuljetuskoneeksi suunnitellussa laitteessa on neljä pientä suihkumoottoria, joten niistä yksi on helppo korvata sähkömoottorin käyttämällä puhallinmoottorilla. 

Jos uusi moottori osoittautuu luotettavaksi ja toimivaksi, voidaan toinenkin suihkumoottori vaihtaa sähköiseen – ja edelleen kaksi perinteistä moottoria takaa matkan jatkumisen, mikäli jotain yllättävää tapahtuu.

Tarkkaan ottaen kyse on sähköisestä hybridilentokoneesta, sillä sähkömoottorin lisäksi koneessa on siis perinteisiä suihkumoottoreita.

Tämä on todennäköisesti myös arkisen sähkölentämisen ensimmäinen vaihe, koska esimerkiksi nousun aikaan tai erityisissä lentotilanteissa tarvittava työntövoima saadaan tehokkaammista kerosiinilla toimivista suihkumoottoreista. Vähemmän puhtia vaativa matkalento onnistunee pelkästään sähkövoimin.

Sähköistäminen ei ole helppoa

Lentokoneen muuttaminen sähköiseksi on paljon vaikeampaa kuin esimerkiksi auton, koska tarvittava teho on suurempi ja akkujen paino on ilmailussa maaliikennettä olennaisempi asia.

Liikenneilmailussa myös luotettavuus täytyy pystyä todentamaan erittäin hyvin, joten sähköisillä lentokonesysteemeillä on edessään paljon testilentotunteja ennen kuin ne hyväksytään matkustajalentojen käyttöön.

Toistaiseksi myös tarpeeksi tehokkaan ja kevyen sähkömoottorin tekeminen on ollut hankalaa.

Koekoneessa käytetään Siemensin kehittämää kahden megawatin moottoria sekä yhtiön tekemää moottorihallinta- sekä voimansyöttöelektroniikkaa. Airbus ja Siemens ovat kehittäneet ilmailun sähkösysteemejä vuodesta 2016 alkaen yhteisessä E-Aircraft Systems House -hankkeessaan.

Sähkömoottori asennetaan siis ensi vaiheessa perinteiseen tapaan toimivan suihkumoottorin sisään siten, että moottorin ytimenä oleva kaasuturbiini korvataan sähkömoottorilla. 

Nykyisinhän suihkumoottorien olennaisin osa on moottorin edessä oleva suuri turbiini, puhallin, jota käytetään kaasuturbiinilla. Vain pieni osa työntövoimasta tulee moottorista taaksepäin syöksyvästä pakokaasusta, loput saa aikaan ilmaa erikoisen potkurin tapaan puhaltava turbiini, siis puhallin.

Sähkösuihkumoottoria ei ulkoisesti nopeasti katsottuna voi juurikaan erottaa perinteisestä, sillä vain voimanlähde moottorin sisällä vaihtuu.

Sähkömoottorin lisäksi uudenlainen moottori vaatii sovelletun puhaltimen ja sitä käyttävän voimansiirron. Tässä mukaan tulee suihkumoottorivalmistaja Rolls-Royce.

Airbusin tehtävänä yhteistyössä on laittaa lentokoneen systeemit kasaan ja kehittää menetelmät, miten moottoreita käytetään lennon aikana. Airbus myös tekee akut.

Koekoneen toivotaan lentävän vuonna 2020 ja sen avulla tullaan testaamaan tekniikkaa varsin perusteellisesti. 

Euroopan komission Flightpath 2050 -vision tavoitteena on vähentää tuohon vuoteen mennessä ilmailun tuottamia hiilidioksidipäästöjä 75 %, typen oksidien päästöjä 90 % ja melua 65 %. Ilman uutta tekniikkaa tämä ei ole mahdollista.

Pitkät lentomatkat, tarvittavat suuret työntövoimat ja lentokoneiden massan pitäminen mahdollisimman pienenä tekevät kerosiinista vielä pitkään merkittävimmän ilmailun polttoaineen, mutta etenkin lyhyillä lentomatkoilla sähköiset hybridiratkaisut ja sen jälkeen täyssähköiset moottorit voisivat olla käytännöllisiä.

Video näyttää mikä oikeasti kyydittää Linnanmäen vuoristorataa

Linnanmäen perinteikkään puisen vuoristoradan vauhdista on vastannut pitkään yhtä lailla perinteikäs moottori. Vanha Strömbergin 1930-luvulta peräisin oleva moottori alkoi tosin osoittaa viime vuosina siinä määrin ikääntymisen oireita, että se se päätettiin korvata uudella. 

Siispä hankinnasta järjestettiin nykyiseen tapaan tarjouskilpailu, ja lopulta uudeksi moottoriksi valittiin ABB:n IE4-moottori.

Moottorin vaihtamisen lisäksi samalla vaihdettiin koko koneisto vaihteineen ja kytkimineen, ja hiukan tarvittiin myös räätälintyötä, jotta klassikkolaitteeseen saatiin uusi kyydinvauhdittaja.

Matkustaja ei tosin huomaa muutosta, sillä tekniikka hoitaa asiansa eleettömästi. Junan maksimivauhti on yhä 60 kilometriä tunnissa. Linnanmäkeläiset sen sijaan saattavat havaita sen energialaskussaan ja siinä, ettei huoltomiestä enää tarvitse kutsua paikalle yhtä usein kuin aikanaan. Uudet moottorit ovat lähestulkoon huoltovapaita.

Radan pituus on kaikkiaan yksi kilometri ja junia on liikenteessä parhaimmillaan neljä kappaletta. Kesäisin radalla ajetaan noin 47 000 ajoa.

Moottori edustaa suomalaista huippuosaamista, mihin harvoin tulee kiinnittäneeksi huomiota. Se valmistettiin Vaasassa Suomen ABB:n pienjännitemoottoritehtaalla.

Tehtaanjohtaja Harri Mykkäsen mukaan moottoreiden valmistus on insinöörityötä parhaimmillaan, koska suuri osa moottorien asennuskohteistauniikkeja. Kuten Linnanmäkikin, ne vaativat räätälöintiä – ja siitäkös insinöörit pitävät!

“Kaikkiaan tehtaalla valmistetaan päivittäin 300 moottoria ja niitä toimitetaan ympäri maailmaa kaikille teollisuudenaloille.”

Kooltaan moottorit ovat hyvin eri tyyppisiä.

“Painoa niillä on kymmenestä kilosta viiteen tuhanteen ja tehoa 180 watista 1,3 megawattiin", selittää Mykkänen ja huomauttaa, että energiatehokkuus moottoreissa ei ole vain linnanmäkeläisten toivelistalla: sähkömoottoreiden pyörittämiseen kuluu Mykkäsen mukaan kaksi kolmasosaa teollisuuden käyttämästä sähköenergiasta.

Siksipä seuraavalla kerralla vuoristoradallakin ajaessa kannattaa luoda pieni ajatus sähkömoottoreille!

Video ja juttu on julkaistu yhteistyössä ABB:n kanssa.

Sähköllä ilmaan!

Pe, 04/17/2015 - 11:57 Jari Mäkinen

Mikä eniten harmittaa moottorilla toimivissa pienkoneissa? Moottori. Polttomoottori on kallis käyttää ja tuottaa pakokaasujen lisäksi enemmän tai vähemmän meteliä. Paitsi että sen polttoaineeseen menee paljon rahaa, niin sitä ja sen monia liikkuvia osia pitää huoltaa, ja sekin maksaa maltaita. Ja vaikka moottorit olisivat uusia ja hiljaisia, eivät ne ole silti mitään kuiskaajia taivaalla.

Yksi pätevä ratkaisu niin ääni- kuin kustannusongelmaan on sähkömoottori. Valitettavasti vain tarpeeksi tehokkaita moottoreita ei ole juuri ollut, ja lisäksi akkutekniikka ei ole vielä sillä tasolla, että koneella voisi lennellä yhtä kätevästi kuin perinteisellä moottorilla varustetulla koneella. Siksi sähkölentokoneita ei ole vielä saatavilla (paitsi lennokkeina).

Haave sähkölentämisestä kuitenkin elää, ja niinpä useat moottorien ja lentokoneiden valmistajat ovat testailleet viime aikoina sähkömoottoreita, mutta kehitys on ollut takkuista. Nyt kuitenkin Siemens antaa näille kokeille hyvän puhalluksen myötätuulta esittelemällä uudenlaisen, tehokkaan lentokoneisiin sopivan sähkömoottorin.

Moottori painaa vain 50 kiloa ja tuottaa 260 kW:n jatkuvaa tehoa. Kyseessä on moottorien ennätys teho-paino -suhteessa ja verrattuna aikaisempiin sähkömoottoreihin saadaan tästä tehoa irti viisinkertaisesti. Erityisesti lentokonekäyttöä varten suunniteltu moottori sopii siten ensimmäistä kertaa voimanlähteeksi ultakevyiden lisäksi normaalikokoisiinkin pienkoneisiin, joiden lentoonlähtömassat ovat jopa kaksi tonnia.

Vastaavantehoisen polttomoottorin massa on tyypillisesti lähes 200 kg, joten parannus on huomattava. Yksi tekijä massan säästämisessä on se, että sähkömoottori pyörii 2500 kierrosta minuutissa ja sen vääntö on erinomainen. Siksi moottori voi pyörittää potkuria suoraan ilman välissä olevaa, painavaa alennusvaihdetta. Tosin “säästyvä” massa menee pitkälti akkujen mukaan lastaamiseen. 

Yksinkertaiseen, kevyeen sähkömoottoriin suoraan kiinnitetty potkuri on myös perinteistä olennaisesti luotettavampi ja paljon vähemmän huoltoa vaativa ratkaisu. 

“Tämän uuden moottorin avulla voidaan nyt ensimmäistä kertaa tehdä sähkölentokoneita, joihin mahtuu neljä tai useampi henkilö mukaan”, sanoo Frank Anton, Siemensin teknologiakehitysyksikön eAircraft-ohjelman johtaja.

“Tavoitteenamme on tuottaa lähitulevaisuudessa sähköhybridimoottoreita, jotka soveltuisivat myös pieniin, 50-100 -paikkaisiin matkustajalentokoneisiin”.

Nyt esitellyn moottorin testit lentokoneissa alkavat vielä tänä vuonna ja Siemensin tutkijat kehittävät jo moottorista suurempitehoisia versioita.

Jo aiemmin kaksi vuotta sitten Siemens, Airbus ja Diamond Aircraft käyttivät DA36 E-Star 2 -moottoripurjehtijaan asennettua 60-kilowattista sähkömoottoria, mutta tuo voimanlähde oli huomattavasti nyt esiteltyä painavampi.