Utveckling och konstruktion av vågabsorbator

(1)

ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2018/08-SE

Examensarbete 15 hp Juni 2018

Utveckling och konstruktion av vågabsorbator

För laddning av batteri till vågkraftverk

Magnus Röder

Erik Bodå

(2)

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten

Besöksadress:

Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0

Postadress:

Box 536 751 21 Uppsala

Telefon:

018 – 471 30 03

Telefax:

018 – 471 30 00

Hemsida:

http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Development of a wave absorber for charging of a battery on wave power plants

Magnus Röder & Erik Bodå

Ångström Laboratory at Uppsala University has been researching and developed a wave energy converter, WEC, since 2006. The WEC is based on a linear generator that is grounded on the seabed, in the generator the translator is linked with a large buoy on the sea surface via a wire. When the buoy follows the wave motion up and down, the translator also follows the same path, which generates energy. Thus using the energy of the waves to extract electricity. However, for the WEC to operate at an optimal level the wire need to be at a specific length, thus the WEC needs to be compensated against the tide. Therefore, a system for tensioning and unloading the wire connecting the buoy with the translator has been developed. The system is equipped with a battery that needs to be charged, this thesis is a part of the development of a small WEC that can deliver energy for the battery. The task is to develop and construct a smaller WEC which is to be placed on the big buoy to generate energy without affecting the larger WEC´s functionality.

The purpose of the project is to design a CAD model for a small WEC based on a theoretically tested model by Camilla Tumlin. In order to provide a basis for the design of the small WEC a preliminary study of different WEC´s from a number of manufacturers was carried out, as well as an analysis of the wave pattern at the planned location for the WEC.

Concepts for the WEC's main parts were developed and evaluated using Concept Selection Matrices in addition to discussions with the supervisor and clients. Some of the details were developed in collaboration with manufacturers. The thesis resulted in a design proposal for the WEC. CAD files and drawings were given to the client for manufacturing of a prototype.

The design solution meets all product requirements, apart from the weight of the moving parts. However, the requirement for the weight was approved by the client.

Further development can investigate whether the weight can be reduced. The next step of the project is to produce a prototype of the WEC, the prototype can then be performance tested in order to assure its functionality.

ISRN UTH-INGUTB-EX-M-2018/08-SE Examinator: Lars Degerman

Ämnesgranskare: Henrik Hermansson Handledare: Mohd Nasir Ayob

(3)

Examensarbete: UTVECKLING OCH KONSTRUKTION AV VÅGASORBATOR

I

Sammanfattning

På Ångströmlaboratoriet vid Uppsala Universitet har utveckling och framtagning av ett vågkraftverk pågått sedan 2006. Kraftverket bygger på att en linjär generator förtöjs på havsbotten, i generatorn är translatorn sammankopplad med en stor boj på havsytan via en vajer. När bojen följer med vågorna upp och ner följer även translatorn samma bana, detta genererar energi som utvinns, man brukar således vågornas energi för att utvinna elektricitet.

Dock behöver kraftverket kompenseras mot tidvattnet och ett system för att spänna respektive släppa på den vajer som sammankopplar bojen med translatorn har

utvecklats. Systemet är utrustat med ett batteri som behöver förses med energi, det är här detta examensarbete kommer in. Arbetet har som uppgift att utveckla och konstruera en mindre linjär generator, även kallad vågabsorbator, som kan placeras på den stora bojen och utvinna energi utan att påverka kraftverkets funktionalitet.

Projektet syfte är att konstruera en CAD-modell för en vågabsorbator, utifrån en teoretisk testad modell av Camilla Tumlin. För att få mer underlag för konstruktionen av generatorn gjordes en förstudie av vågkraftverk från ett flertal tillverkare, även en analys av rapporter för vågornas rörelsemönster vid den planerade placeringen av kraftverket genomfördes.

Koncept för generatorns huvuddelar togs fram och utvärderades med hjälp av konceptvalsmatriser och vid diskussioner med handledare och beställare. En del av detaljerna togs fram i samråd med tillverkare.

Examensarbetet resulterade i ett konstruktionsförslag för vågabsorbatorn. CAD-filer och ritningar bifogas till beställaren för tillverkning av en prototyp, där

konstruktionslösningen uppnår alla krav bortsett från vikten på translatorn och de rörliga delarna. Att kravet om vikten inte uppnåddes godkändes dock av beställaren.

Eventuell vidareutveckling kan undersöka om det går att få ner vikten.

Nästa steg i projektet är att tillverka en prototyp av generatorn för att sedan utföra tester och säkerhetsställa dess funktionalitet.

Nyckelord: Examensarbete, Vågkraft, Linjär generator, Vågabsorbator, Konstruktion, Produktutveckling, FEM-analys

(4)

II

Förord

Vi vill tacka vår handledare Mohd Nasir Ayob och beställare Rafael Waters från avdelningen för elektrisitetslära på Uppsala Universitet för att vi fick utföra detta examensarbete och för all hjälp under projektets gång. Även ett stort tack till vår ämnesgranskare Henrik Hermansson som instruerat oss i konstruktionslösningar för vågabsorbatorn.

Tack till Petter Eklund för hjälp med beräkningar och tack till alla på avdelningen för elektricitetslära på Uppsala Universitet som gett oss råd och tips.

Ett tack till Matthias Hartvigsson från Lesjöfors för hjälp med fjädern och Peter Göransson från SKF för hjälpen med kullagren och glidlagren.

Uppsala, juni 2018

Magnus Röder och Erik Bodå

(5)

III

Innehållsförteckning

1 Inledning ... 1

1.1 Bakgrund ... 1

1.2 Problembeskrivning och syfte ... 2

1.3 Mål ... 3

1.4 Avgränsningar ... 3

1.5 Produktkravspecifikation ... 3

2 Metoder ... 5

2.1 Förstudie ... 5

2.2 Pughs konceptvalsmatris ... 5

2.3 SolidWorks ... 5

2.4 FEM-analys ... 5

3 Förstudie ... 7

3.1 Camilla Tumlins rapport ... 7

3.2 Olika koncept och lösningar på vågkraftverk ... 7

3.2.1 Vågkraftverks koncept från Uppsala Universitet ... 7

3.2.2 Vågkraftverkskoncept från CorPower Ocean ... 8

3.2.3 Vågkraftverk från SINN Power ... 9

3.3 Vågornas rörelser ... 9

3.4 Resultat av förstudie ... 10

4 Koncept ... 11

4.1 Konceptgenerering och val för infästningen av magnetplåtar ... 11

4.1.1 Koncept för infästningen av magnetplåtar ... 11

4.1.2 Utvärdering och val av koncept för fäste av magnetplåtar ... 13

4.2 Konceptgenerering och val för dämpning av translator ... 14

4.2.1 Koncept för dämpning av translator ... 14

4.2.2 Utvärdering och val av koncept för dämpning av translator ... 17

4.3 Konceptgenerering och val för infästning av statorplåtarna... 19

4.3.1 Koncept för infästning av statorplåt ... 19

4.3.2 Utvärdering och val av koncept för fästing av statorplåtar ... 21

4.4 Koncept på tätningslösning ... 22

5 Konstruktion ... 23

5.1 Konstruktion av upphängning ... 24

5.1.1 Inre ramverk ... 24

(6)

IV

5.1.2 Yttre ramverk ... 28

5.1.3 Skal... 31

5.1.4 Kullagerhus ... 33

5.1.5 Fjäderplåtar ... 35

5.1.6 Styrplåt för styraxlar ... 35

5.1.7 Spännring styraxlar ... 36

5.1.8 Fjäder ... 37

5.1.9 Inköpta delar till upphängning ... 37

5.2 Konstruktion av stator ... 39

5.2.1 Statorplåt ... 40

5.2.2 Statorinfästning ... 40

5.2.3 Statorupphängning ... 43

5.2.4 Plasthakar ... 45

5.3 Translator... 46

5.3.1 Magnetplåt ... 47

5.3.2 Glidlagerfäste ... 48

5.3.3 Upphängning av translator ... 48

5.3.4 Vinkel ... 50

5.3.5 Fjäderstopp ... 51

5.3.6 Inköpta delar för translator ... 53

5.4 Övriga detaljer ... 54

5.4.1 Tygstrumpa ... 54

5.4.2 Boj ... 55

6 Resultat... 57

6.1 Upphängning ... 58

6.2 Stator ... 59

6.3 Translator... 60

6.4 Återkoppling till kravspecifikation ... 61

6.4.1 Funktionalitet ... 61

6.4.2 Storlek ... 61

6.4.3 Strömförsörjning ... 61

6.4.4 Användargränssnitt ... 61

6.4.5 Dokumentation ... 61

6.4.6 Miljökrav ... 61

7 Slutsats och diskussion... 63

(7)

V

7.1 Slutsats ... 63

7.1.1 Allmänt ... 63

7.1.2 Upphängning ... 63

7.1.3 Stator ... 63

7.1.4 Translator ... 63

7.2 Diskussion ... 63

7.2.1 Tester för att verifiera funktionen ... 63

7.2.2 Simulering med FEM ... 64

7.2.3 Specialgjord boj ... 64

7.2.4 Skydd för kullager mot sand och smuts ... 64

8 Förslag på fortsatta undersökningar ... 65

9 Referenser ... 67

Bilagor ... 69

(8)

VI

Figurförteckning

Figur 1.1 Vågkraftverksparken i Lysekil (Granmar, 2017) ... 1

Figur 1.2 Illustration av placeringen av vågabsorbatorn i den större bojen. Ej skalenligt (Tumlin, 2017) ... 2

Figur 3.1 2D-axisymmetrisk och 3D-vy av generatorns geometri som visar de olika delarna ... 7

Figur 3.2 Vågkraftverks koncept av Uppsala Universitet (Uppsala Universitet, 2018) ... 8

Figur 3.3 Vågkraftverkskoncept av CorPower (CorPower Ocean AB, 2012) ... 8

Figur 3.4 Vågkraftverk utvecklat av SINN Power (SINN Power, 2018) ... 9

Figur 3.5 Vågors elevation (Svart) och bojens elevation (Röd) under ett tidsintervall i Lysekil under sommarhalvåret (Ayob, et al., 2018) ... 10

Figur 3.6 Vågors elevation (Svart) och bojens elevation (Röd) under ett tidsintervall i Lysekil under vinterhalvåret (Ayob, et al., 2018) ... 10

Figur 4.1 Ritning av koncept 1.1 - Hexagonalplatta med hål för stav, styrning och viktreducering ... 11

Figur 4.2 Ritning av koncept 1.2 – Plåt med tre fästpunkter ... 12

Figur 4.3 Ritning av koncept 1.3 – Sex balkar fäst i en hexagon ... 13

Figur 4.4 Skiss över sammansättningen av koncept 1.1 och magnetplåtar med hjälp av vinklar ... 14

Figur 4.5 Ritning av koncept 2.1 - Stor fjäder ovan och nedtill ... 15

Figur 4.6 Ritning av koncept 2.2 - Fjäder fäst i translatorn på undersidan ... 16

Figur 4.7 Ritning av Koncept 2.3 – Bladfjäder, sett ifrån sidan ... 16

Figur 4.8 Ritning av koncept 2.3 - Bladfjäder, sett ovanifrån ... 17

Figur 4.9 Skiss på hur fjäder kan fästas ... 18

Figur 4.10 Ritning av koncept 3.1 - Vinkelplåtar på var sida om statorplåtarna ... 19

Figur 4.11 Ritning av koncept 3.2 - Fästning runt statorplåtar ... 20

Figur 4.12 Ritning av koncept 3.3 - Fästning runt statorplåt med mellanrum baktill ... 20

Figur 4.13 Skiss över tätningslösning ... 22

Figur 5.1 Konstruktion för generatorn med förstorning på translator och stator, utan skal. ... 23

Figur 5.2 Upphängning, med och utan skaldetaljer ... 24

Figur 5.3 Inre ramverkets nedre del ... 25

Figur 5.4 Inre ramverkets lock ... 26

Figur 5.5 Gummitätning mellan lock och nedre ramverk ... 26

Figur 5.6 FEM-analys för spänningsfördelningen på inre ramverket. Bilden visar en närbild på en av de tre vinklarna. ... 27

Figur 5.7 Övre del av yttre ramverk ... 28

Figur 5.8 Nedre del av yttre ramverk ... 29

Figur 5.9 FEM-analys för spänningsfördelning på övre del av yttre ramverk ... 29

Figur 5.10 FEM-analys för spänningsfördelning på nedre del av yttre ramverk ... 30

Figur 5.11 Alla fyra delar av skalet; botten, topp och sidorna till dessa ... 31

Figur 5.12 Skal för nedre ramverk; sida och botten ... 31

Figur 5.13 Skal för locket; sida och topp ... 32

Figur 5.14 Överlappningen av sidorna ... 32

Figur 5.15 Lagerhus ... 33

(9)

VII

Figur 5.16 Lock till lagerhus ... 33

Figur 5.17 Lagerhus, lock och fjäderplåt. Svetsas där lagerhuset fästs i fjäderplåten. ... 34

Figur 5.18 Fjäderplåtar, till vänster övre fjäderplåt, till höger nedre fjäderplåt... 35

Figur 5.19 Styrplåt ... 35

Figur 5.20 Spännring, färgen har ingen konstruktionsmässig mening utan är tillagd för att spännringen lättare ska synas i renderingarna. ... 36

Figur 5.21 Spännringar monterade i styrplåten ... 36

Figur 5.22 Låspinne LSR 8955 ... 37

Figur 5.23 Linjärt kullager LBCR 30A-2LS/HV6 monterat i kullagerhuset, renderat i turkost för att synas bättre ... 38

Figur 5.24 Linjärt kullager LBCR 30A-2LS/HV6, kosmetisk bild ... 38

Figur 5.25 Statorn ... 39

Figur 5.26 Statorplåt, från vänster urfräsning 1 till 6 ... 40

Figur 5.27 Statorinfästning ... 41

Figur 5.28 Fem-analys för spänningsfördelningen på statorinfästningen med endast kraften från statorns vikt tillagd. ... 41

Figur 5.29 Graf över magneternas dragningskraft med avseende på avståndet från magneten (Supermagnete, 2018) ... 42

Figur 5.30 FEM-analys för spänningsfördelning med magneternas dragningskraft tillagd på 1 mm tjock plåt. ... 42

Figur 5.31 Statorupphängning ... 43

Figur 5.32 Statorupphängning, vertikalt snitt kan flyttas för att bland annat underlätta vid tillverkning ... 44

Figur 5.33 FEM-analys för spänningsfördelning på statorupphängning ... 44

Figur 5.34 Plasthake ... 45

Figur 5.35 Plasthakar monterade över translatorupphängningen ... 45

Figur 5.36 Translatorn ... 46

Figur 5.37 Translator, delad vy ... 46

Figur 5.38 Magnetplåt ... 47

Figur 5.39 Comsolgraf över magnetfältets förhållande till plåtens tjocklek (Eklund, 2018) ... 48

Figur 5.40 Glidlagerfäste ... 48

Figur 5.41 Upphängning av translator ... 49

Figur 5.42 FEM-analys för spänningsfördelning på upphängning av translator ... 50

Figur 5.43 Vinkel ... 50

Figur 5.44 FEM-analys av spänningsfördelningen på vinkel ... 51

Figur 5.45 Fjäderstopp ... 52

Figur 5.46 FEM-analys för spänningsfördelning på fjäderstop ... 52

Figur 5.47 Glidlager LPBR12 ... 53

Figur 5.48 Magnet (Supermagnete, 2018) ... 54

Figur 5.49 Tygstrumpa (Wetzel Technische Netze, 2018) ... 54

Figur 5.50 Boj, artikel nr. 25652 ... 55

Figur 6.1 Färdig konstruktion, till vänster med skal, till höger utan skal ... 57

Figur 6.2 Färdig konstruktion, förstorning av vågabsorbatorn ... 57

Figur 6.3 Upphängning, med och utan skaldetaljer ... 58

Figur 6.4 Ramverk, övre utan lock... 58

Figur 6.5 Kullagerhus ... 59

(10)

VIII

Figur 6.6 Stator utan lindningar. ... 59 Figur 6.7 Den slutgiltiga konstruktionen av translator. ... 60 Figur 6.8 Translator, delad vy. ... 60

(11)

IX

Tabellförteckning

Tabell 1.1 Kravspecifikation för vågabsorbatorn... 3

Tabell 4.1 Utvärdering genom Pugh matris för fäste av magnetplåtar ... 13

Tabell 4.2 Utvärdering genom Pugh matris för dämpning av translator ... 17

Tabell 4.3 Utvärdering genom Pugh matris för fästning av statorplåtar ... 21

(12)

X

Förkortningar

W- Watt

CAD- Computer Aided Design FEM – Finita Elementmetoden mm - Millimeter

kg – Kilogram

°C – Grader Celsius

IP-Klass - International Protection Marking 3D – Tredimensionell

2D – Tvådimensionell N – Newton

MPa – Mega Pascal

PH2 – Phillipsskruv, 2 mm PZ2 – Pozidrivskruv, 2 mm

ABS-Plast - Akrylnitril-Butadien-Styren-Plast SS – Svensk Standard

EN – European Standard ca – Cirka

𝑅𝑎 – Ytjämnhet 𝜇𝑚 – Mikrometer m – Meter

(13)

1

1 Inledning

Beskriver bakgrunden till rapporten och varför projektet utförs. Även mål, syfte, avgränsningar och kravspecifikation.

1.1 Bakgrund

Vågkraftgruppen på Uppsala universitet (Uppsala Universitet, 2018) har tagit fram ett vågkraftverk som brukar vågornas energi, detta genom att en boj som flyter på havsytan är sammankopplad med en linjär generator på havsbotten. När bojen rör sig med

vågorna drar den, via en vajer, i den translator som sitter i generatorn. Translatorns linjära rörelse jämtemot statorn genererar energi. Projektet är i ständig utveckling och för att maximera energiutbytet i generatorn behövs en vajerspännare, som justerar kraftverkets vajer med tidvattnet. Vajerspännaren styrs av en motor som tar energi från ett batteri, batteriet behöver i sin tur en extern energikälla för att operera optimalt, där föddes tanken om att montera en mindre vågabsorbator på bojen för att ladda batteriet.

Idén med att placera en mindre generator på bojen har teoretiskt beräknats av Camilla Tumlin (Tumlin, 2017), det är denna vågabsorbator projektet kommer att utveckla och konstruera. Projektet är beställt av Rafael Waters, universitetslektor på Uppsala Universitet.

Figur 1.1 Vågkraftverksparken i Lysekil (Granmar, 2017)

(14)

Kap.1 Inledning

2

1.2 Problembeskrivning och syfte

För att få vågkraftverket att alltid operera vid maxeffekt, installeras en kedjematare som ska justera vajern efter tidvattnet. Den motor som styr denna funktion behöver energi från en extern källa, då vågabsorbatorns egna generator inte ska generera energi till sitt egna system. Tester har gjorts med solceller, dock opererar dessa enbart på dagen och sparsamt på vinterhalvåret, följaktligen har dessa en begränsad funktionalitet.

Solcellerna behöver kompletteras eller ersättas med energi från annat håll. Därför ska det här projektet konstruera en mindre vågabsorbator som kommer generera energi linjärt, med samma princip som den stora vågabsorbatorn. Den linjära generator ska placeras över ett hål på den stora bojen, generatorns translator är kopplad via ett stag till en mindre boj som flyter på havsytan, skillnader i vikterna mellan den stora och den lilla bojen gör att dessa rör sig i otakt jämtemot varandra och det är skillnaden i vågorna som vågabsorbatorn genererar sin energi ifrån. För tänkt placering av vågabsorbatorn se Figur 1.2

Figur 1.2 Illustration av placeringen av vågabsorbatorn i den större bojen. Ej skalenligt (Tumlin, 2017)

Konstruktionen av generatorn utgår ifrån de teoretiskt beräknade uppgifterna av Camilla Tumlins examensarbete (Tumlin, 2017). Generatorn som ska konstrueras i detta

examensarbete har som uppgift att ladda det batteri som ska försörja kedjemataren till vågkraftverket. Den teoretiska beräknade utvinningen för generatorn varierar beroende på vågornas tillstånd, men vid lugna vågrörelser bör generatorn generera ca.32 𝑊. Vid aggressiva vågrörelser kan den generera upp till 100 𝑊.

De konstruktionssvårigheter som designen står inför är framförallt kravet på täthet, då det stag som kopplar samman bojen med translatorn utsätts för korrosiv marin miljö och kommer med en linjär rörelse föras in och ut i generatorn. En annan svårighet är när translatorn når sina ändlägen, här bör någon form av dämpning mot stötar konstrueras för att inte strukturen ska ta skada av de stötar som kan uppstå.

(15)

3

1.3 Mål

Projektet ska konstruera en CAD-modell, med medföljande sammanställningsritningar, för en vågabsorbator grundat på Tumlins teoretiska beräkningar och den ställda

produktkravspecifikationen från beställaren (Tumlin, 2017). Konstruktionen kommer att ritas i SolidWorks, där även hållfastheten kommer att beräknas med FEM-metoden.

Materialval och tätningslösningar ska tas fram hänsyn till vågabsorbatorns utsatta miljö och produktkrav gällande magnetfält för generatorer. Konstruktionen ska framställas för att senare kunna tillverka en prototyp. Löpande beställningar på de konstruerade

detaljerna och de färdiga elementen ska utföras under projektets gång.

1.4 Avgränsningar

Projektet kommer inte ta hänsyn till de elektriska scheman och kretskort som den

slutgiltiga produkten kommer förses med. Designen utformas efter färdiga element i den utsträckning det är möjligt, exempel på dessa är magneter och bojen.

Prototyptillverkningen kommer inte innefattas av examensarbetet, dock kommer löpande beställningar av detaljer utföras för att snabba på tillverkningsprocessen.

1.5 Produktkravspecifikation

Den ställda produktkravspecifikationen för vågabsorbatorn följer i Tabell 1.1 och är utformad av beställare, Rafael Waters, och handledare, Mohd Nasir Ayob, utifrån Camilla Tumlins simuleringar (Waters & Ayob, 2018) (Tumlin, 2017).

Tabell 1.1 Kravspecifikation för vågabsorbatorn.

Funktionalitet Produkten skall generera energi under drift.

Translatorn skall ha en linjär rörelse, med en nominell bana på 1000 mm.

Den linjära rörelsen skall vara dämpad vertikalt i led.

Gapet mellan stator och translator ska vara 3 mm.

Storlek Konstruktionen skall passa i ett cirkulärt eller hexagonalt hål med diameter 400 mm.

Konstruktionen av den rörliga delen i generatorn och tillhörande boj bör ej överstiga 20 kg.

Strömförsörjning Självförsörjande.

Användargränssnitt Väderbeständig yttre konstruktion.

Dokumentation Sammanställnings- och detaljritningar av komplett produkt skall framställas.

Miljökrav Produkten skall, under drift, klara ett temperaturintervall mellan -40°C och 85°C.

Produktens detaljer som utsätts för den yttre miljön skall förses med IP-klass 68. Vilket innebär att den har motstånd mot att damm tränger in och att den kan sänkas ned under vatten utan att vatten läcker in. Tester utförs i dammkammare och vattenbehållare. (Research Institutes of Sweden, 2017).

(16)

Kap.1 Inledning

4

(17)

5

2 Metoder

Kapitlet går igenom de metoder som kommer att användas under projektet.

2.1 Förstudie

En förstudie görs för att få bättre kunskap om forskningsområdet genom att undersöka tidigare forskning, rapporter och nuvarande lösningar. Det som ingått i förstudien är bland annat undersökning av andra rapporter och vetenskapliga artiklar.

2.2 Pughs konceptvalsmatris

Konceptvalsmatris eller även kallad Pughs matris (Bergman & Klefsjö, 2012) är den metod som kommer användas i rapporten. Pughs matris är en metod för att objektivt kunna välja den bästa lösningen på ett problem. Metoden är ett vanligt verktyg i produktutveckling. Valet görs genom att värdera lösningarna utifrån olika kriterier där matrisen ger feedback om konceptet är positiv (+), negativ (-) eller neutralt (0) gentemot kriteriet. Kriterierna viktas därefter på en skala från noll till fem om hur viktiga de är i sammanhanget. Siffran multipliceras sedan med +, - eller 0. De nya siffrorna adderas sedan och den summan jämförs mellan de olika koncepten.

2.3 SolidWorks

SolidWorks är ett 3D CAD-program som används för att modellera konstruktioner.

Programmet har även bland annat funktioner som att ändra material, beräkna vikt på objektet och beräkna hållfasthet.

2.4 FEM-analys

Finita elementmetoden eller kallat FEM-analys är en metod för att undersöka

spänningar i en konstruktion. Analysen fixerar objektet i en punkt eller yta för att sedan lägga på en last. Genom dessa inmatningar kan programmet se var spänningar kommer att uppstå och om konstruktionen uppnår de ställda hållfasthetskraven. (ta med något om att dela upp en modell i ett begränsat antal element)

(18)

Kap. 2 Metoder

6

(19)

7

3 Förstudie

Förstudie görs för att lägga en grund till konceptgenereringen.

3.1 Camilla Tumlins rapport

Då vågabsorbatorn grundar sig på Tumlins beräkningar och simuleringar har rapporten studerats för att få en god grund till generatorns uppbyggnad. Rapporten innefattar simulationer i simuleringsprogrammet Comsol (Comsol, 2018), där optimeringar utförts för att maximera den utvunna energin i generatorn. Även en småskalig prototyp

konstruerades för att se om teorin fungerade i praktiken. De simuleringar som utförts har varit av en cirkulär generator, se Figur 3.1, medan beräkningarna har genomförts både på cirkulär och hexagonal utformad generator. (Tumlin, 2017)

Figur 3.1 2D-axisymmetrisk och 3D-vy av generatorns geometri som visar de olika delarna

3.2 Olika koncept och lösningar på vågkraftverk

För att finna inspiration till konstruktionslösningar har tidigare koncept på vågkraftverk studerats.

3.2.1 Vågkraftverks koncept från Uppsala Universitet

Konceptet visat i Figur 3.2 är från Uppsala Universitet, där en generator är förtöjd på havsbotten, translatorn i generatorn är sammankopplad, via en vajer, med en cirkulär boj på havsytan. När bojen följer vågrörelserna hänger translatorn med i en vertikal linjär rörelse. (Uppsala Universitet, 2018)

(20)

Kap. 3 Förstudie

8

Figur 3.2 Vågkraftverks koncept av Uppsala Universitet (Uppsala Universitet, 2018)

3.2.2 Vågkraftverkskoncept från CorPower Ocean

Koncept som visas i Figur 3.3 är framtaget av CorPower Ocean. Konceptet innefattar en boj som är delvist sänkt under vattenytan, denna är kopplad till en generator som står på havsbotten. (CorPower Ocean AB, 2012)

Figur 3.3 Vågkraftverkskoncept av CorPower (CorPower Ocean AB, 2012)

(21)

9 3.2.3 Vågkraftverk från SINN Power

Vågkraftverk från SINN Power där generatorn är fastmonterad i ett betongfundament ovanför vattenytan och bojen flyter på vattenytan, se Figur 3.4. En styv axel är sammankopplad med bojen och translatorn, när bojen flyter med vågrörelserna följer translatorn samma rörelse genom generatorn. (SINN Power, 2018)

Figur 3.4 Vågkraftverk utvecklat av SINN Power (SINN Power, 2018)

3.3 Vågornas rörelser

Vågornas elevation utanför Lysekil har undersökts i ett tidigare arbete (Ayob, et al., 2018). Undersökningarna har utförts både under sommarhalvåret och vinterhalvåret, se Figur 3.5 respektive Figur 3.6. Dessa figurer visar även hur elevationen av

vågabsorbatorns boj kommer att påverkas av vågarnas rörelser. Figur 3.6 visar hur bojen (röd) inte går utanför det givna en meters intervallet. Detta då translatorn i den vågabsorbator examensarbetet ska konstruera kommer att begränsas från att röra sig längre än en meter. Figur 3.5 och Figur 3.6 ger även information om vilken hastighet translatorn kommer att färdas. Denna information kommer att kunna användas för att beräkna hur mycket translatorn eventuellt behöver dämpas.

(22)

Kap. 3 Förstudie

10

Figur 3.5 Vågors elevation (Svart) och bojens elevation (Röd) under ett tidsintervall i Lysekil under sommarhalvåret (Ayob, et al., 2018)

Figur 3.6 Vågors elevation (Svart) och bojens elevation (Röd) under ett tidsintervall i Lysekil under vinterhalvåret (Ayob, et al., 2018)

3.4 Resultat av förstudie

Utifrån de tre undersökta koncepten på vågkraftverk kommer det framtagna

konstruktionen i denna rapport att likna SINN Powers vågkraftverk. Detta på grund av att generatorn kommer att sitta ovanför sin boj. Därmed kommer vågabsorbatorn även att behöva ha en styv koppling mellan bojen och translatorn.

Förstudien gav att på tre detaljer behövdes djupare utvärdering genom en Pugh matris.

De berörda detaljerna är infästningen av statorplåtarna, hur plåtarna med magnaterna skall fästas och hur translatorn skall dämpas vid starka vågor. Utifrån detta tillsammans med diskussioner från handledare, beställare, ämnesgranskare och/eller experter

kommer de andra delarna att modelleras. Vid diskussioner kring konstruktionens

utformning valdes en hexagonal form för att underlätta vid tillverkningen och hålla nere tillverkningskostnaderna.

(23)

11

4 Koncept

Kapitlet presenterar stegen som togs för att komma fram till de valda koncepten. De delar som inte omfattas av det här kapitlet konstruerades inte med konceptgenerering, dessa designades under arbetets gång utifrån den framtagna konstruktionen och/eller via diskussion med handledare, beställare, ämnesgranskare och/eller experter inom det berörda området. Delarna ska vara designade för att passa ett hexagonalt ramverk, detta dels för att generatorns form ska vara hexagonal och för att en solid konstruktion skulle öka vikten på produkten avsevärt, mer information finns i kapitel 5.1.1.

4.1 Konceptgenerering och val för infästningen av magnetplåtar

Redovisningar av konceptgenerering, utvärdering och val för infästning av magnetplåt.

4.1.1 Koncept för infästningen av magnetplåtar Tre koncept för infästningen av magnetplåtar

Koncept 1.1 - Hexagonal platta med hål för stav, styrning och viktreducering

Koncept 1.1 är en hexagonalt skuren platta med hål för stav och styraxlar. Plattan har även hål utskurna för att minska vikten på plattan. Infästningen av staven och

styraxlarna sker med svets. Magnetplåtarnas infästning skruvas fast i detaljen med vinkeljärn för att underlätta monteringen.

Figur 4.1 Ritning av koncept 1.1 - Hexagonalplatta med hål för stav, styrning och viktreducering

(24)

Kap. 4 Koncept

12 Koncept 1.2 - Plåt med tre fästpunkter

Utskuren plåt med infästning av magnetplåt på tre av plåtarna. Utrymme för eventuella styraxlar konstrueras mellan infästningarna av magnetplåtarna.

Figur 4.2 Ritning av koncept 1.2 – Plåt med tre fästpunkter Koncept 1.3 - Sex balkar fäst i en hexagon

Sex balkar skjuter ut från en hexagonal mittensektion i metall. Mittensektionen fästs i staven och balkarna fästs i magnetplåtarna med hjälp av skruvbeslag.

(25)

13

Figur 4.3 Ritning av koncept 1.3 – Sex balkar fäst i en hexagon

4.1.2 Utvärdering och val av koncept för fäste av magnetplåtar

Koncept 1.1 väljs efter utvärdering med hjälp av Pugh matris, se Tabell 4.1. Koncept 1.1 är det bästa valet då det ger en hög stabilitet och förhindrar translatorn från att rotera. Vikten kan då hållas nere utan att påverka stabiliteten. Monteringen är enklare då plattan kan monteras på staven innan monteringen av magnetplåtarna.

Sammansättningen med magnetplåtar på skivan kan göras med hjälp av vinklar enligt Figur 4.4 för att underlätta montering och eventuell nedmontering.

Tabell 4.1 Utvärdering genom Pugh matris för fäste av magnetplåtar

Kriterier Bas Vägning 1.1 1.2 1.3

Vikt 0 4 +4 +4 0

Stabilitet för translatorn 0 4 +4 – 4 +4

Tillverkning 0 2 +2 +2 0

Stop mot rotation 0 3 +3 – 3 – 3

Summa - - 13 – 1 +1

(26)

Kap. 4 Koncept

14

Figur 4.4 Skiss över sammansättningen av koncept 1.1 och magnetplåtar med hjälp av vinklar

4.2 Konceptgenerering och val för dämpning av translator

Redovisningar av konceptgenerering, utvärdering och val för dämpning av translator.

4.2.1 Koncept för dämpning av translator Tre koncept för dämpning av translatorn.

Koncept 2.1 - Stor fjäder ovan och nedtill

En fjäder ovan och en fjäder under translatorn som ska dämpa stötar men även återinföra energi till translatorn.

(27)

15

Figur 4.5 Ritning av koncept 2.1 - Stor fjäder ovan och nedtill Koncept 2.2 - Fjäder fäst i translatorn på undersidan

Fjädrar sitter fast mellan translatorn och ramverket för att dämpa mot stötar. Konceptet kräver dubbelverkande fjädrar för både drag och tryckkrafter då dämpningen sker när fjädrarna dras ut och när de komprimeras. Konceptet gör att fjädrar endast behöver placeras på en sida av translatorn.

(28)

Kap. 4 Koncept

16

Figur 4.6 Ritning av koncept 2.2 - Fjäder fäst i translatorn på undersidan Koncept 2.3 - Bladfjäder

Bladfjädrar fästs under och över translatorn och har en liknande funktion som

stötdämpare på lastbilar, se Figur 4.7. Två stag fästs i ramen via bussningar, på stagen sitter plattjärn som sammankopplas med stagen, även här med bussningar, Figur 4.8.

Detta koncept tar upp stötar bättre än fjädrar men ger inte lika bra inbromsning.

Figur 4.7 Ritning av Koncept 2.3 – Bladfjäder, sett ifrån sidan

(29)

17

Figur 4.8 Ritning av koncept 2.3 - Bladfjäder, sett ovanifrån

4.2.2 Utvärdering och val av koncept för dämpning av translator

Koncept 2.2 stryks då beställaren vill att translatorn inte ska vara sammankopplad med någonting förutom bojen. Koncept 2.1 väljs efter utvärdering genom Pugh matris, se Tabell 4.2. Ett förslag på en möjlig lösning av hur fjädern kan fästas i ramen är visuellt i Figur 4.9

Tabell 4.2 Utvärdering genom Pugh matris för dämpning av translator

Vikt 0 2 – 2 0 +2

Återförande av energi 0 4 +4 – 4 – 4

Fästning i ram 0 3 +3 0 – 4

Storlek 0 3 +3 +3 0

Summa - - 8 – 1 – 5

(30)

Kap. 4 Koncept

18 Figur 4.9 Skiss på hur fjäder kan fästas

(31)

19

4.3 Konceptgenerering och val för infästning av statorplåtarna

Redovisningar av konceptgenerering, utvärdering och val för infästning av statorplåtarna.

4.3.1 Koncept för infästning av statorplåt Tre koncept på infästning av statorplåtar

Koncept 3.1 - Vinkelplåtar på var sida om statorplåtarna

Statorplåtarna pressas samman med en skruv som går rakt igenom plåtarna. På var sida av plåtpaketet sitter en vinkelplåt som fästs med samma skruv som statorplåtarna.

Vinkelplåtarna kan sedan användas för att fästa statorplåtarna i en ram. Konstruktionen ger en bra stabilitet med kan kräva ytterligare delar för att kunna fästas i ramen på ett säkert sätt och små justeringsmarginaler ges.

Figur 4.10 Ritning av koncept 3.1 - Vinkelplåtar på var sida om statorplåtarna Koncept 3.2 - Fästning runt statorplåtar

Bockad plåt som fästs runt statorplåtarna med hjälp av en skruv. Ger en bra stabilitet för statorplåtarna men gör det svårt att fästa plåtarna i en ram. Kräver ytterligare detaljer för att monteras i ramen.

(32)

Kap. 4 Koncept

20

Figur 4.11 Ritning av koncept 3.2 - Fästning runt statorplåtar Koncept 3.3 - Fästning runt statorplåt med mellanrum baktill

Koncept 3.3 liknar koncept 3.2 men med den stora skillnaden att den vinklade plåten har försetts med ett mellanrum till statorplåtarna. Mellanrummet ger möjlighet för att fästa statorplåtarna i en ram. Det ger även plats för koppartråden som ska att lindas runt statorplåtarna.

Figur 4.12 Ritning av koncept 3.3 - Fästning runt statorplåt med mellanrum baktill

(33)

21

4.3.2 Utvärdering och val av koncept för fästing av statorplåtar

Efter en utvärdering genom Pugh matris valdes koncept 3.3, se Tabell 4.3. Koncept 3.3 har den stora fördelen att den möjliggör infästning i ram och den lämnar plats för kopparlindningen. Stabiliteten och hållfastheten kan förstärkas med tjockare plåt eller genom att svetsa fast kilar.

Tabell 4.3 Utvärdering genom Pugh matris för fästning av statorplåtar

Hållfasthet 0 3 +3 +3 0

Stabilitet 0 3 0 +3 0

Fästning i ram 0 5 – 5 – 5 +5

Vikt 0 1 0 0 0

Summa - - – 2 1 5

(34)

Kap. 4 Koncept

22

4.4 Koncept på tätningslösning

Eftersom axeln som kopplar samman translatorn med bojen, går in och ut ur generatorn och kommer att komma i kontakt med vatten krävs det att in-och utgången är helt tät.

Detta då inget vatten får komma in i generatorn, men samtidigt får genomgången inte bidra till hög friktion på axeln. Konceptet som togs fram var att täta med ett linjärt kullager enligt Figur 4.13.

Figur 4.13 Skiss över tätningslösning

(35)

23

5 Konstruktion

Avsnittet avser de detaljer som konstruerats, materialval och eventuella

vidareutvecklingar av detaljerna. Figur 5.1 visar konstruktionen på generatorn utan det skal som omger generatorn. Simuleringar görs framförallt för att undersöka om

konstruktionen kan stå emot sin egen vikt. För att ge ett tydligare resultat görs simuleringen på individuella delar istället för på sammanställningar. De simuleringar som genomfördes på sammanställningar gav ej pålitliga resultat. Simuleringar görs endast på egna konstruktioner som lämpas för simulering och inte på inköpta delar.

Simuleringarna undersöker framförallt de spänningarna som uppstår och

säkerhetsfaktorn. Eventuella förskjutningar i detaljerna tas inte med då simuleringarna visade att de var så små att de inte kommer ha någon påverkan. Vågabsorbatorn har en höjd på cirka 1500 mm utan bojen och axeln.

Figur 5.1 Konstruktion för generatorn med förstorning på translator och stator, utan skal.

(36)

Kap. 5 Konstruktion

24

5.1 Konstruktion av upphängning

Innefattar de bärande konstruktionsdetaljerna och utanpåliggande delar, dessa är inre och yttre ramverk, skal, kullagerhus, fjäderplåtar, styrplatta och plastspänne för styraxlar och även inköpta detaljer som fjäder och linjärlager.

Figur 5.2 Upphängning, med och utan skaldetaljer 5.1.1 Inre ramverk

Redan i projektets början, vid möte med handledaren, Mohd Nasir Ayob, och

beställaren, Rafael Waters, framkom det att konstruktionen var i behov av ett ramverk av något slag (Waters & Ayob, 2018). Detta för att en solid behållare skulle ge en avsevärt högre vikt och vara dyrare att tillverka. Det inre ramverket har en mycket stor påverkan på hela konstruktionens hållfasthet, då alla detaljer, förutom translatorn och bojen, sitter fast i ramen. Det inre ramverket är uppdelat i två delar, en nedre del och ett lock, se Figur 5.4, locket är fastbultat i den nedre delen och ska underlätta vid

montering och service. Ramverket är hexagonalt och är till grunden bestående av svetsade rostfria fyrkantsprofiler (SS 4304) i storlek 25𝑥25 𝑚𝑚. Den nedre delen är även utrustad med tre kortare vinkelprofiler, av samma storlek som fyrkantsprofilerna, där upphängningen av statorplattorna sitter och en övre läpp på 100𝑥5 𝑚𝑚 som fäster samman det inre ramverket med det yttre, se Figur 5.3. Locket är även den till grunden bestående av fyrkantsprofiler men har två längsgående vinkelprofiler där den övre fjäderplåten fästs. Det nedre ramverket bultas även fast med det yttre ramverket och håller hela konstruktionens vikt. Då hela konstruktionen har en hög vikt, och kan således inte lyftas av en person, har locket därför en avgörande funktion vid inspektion av generatorn. Mellan locket och nedre ramverket sitter en gummitätning som hindrar fukt att tränga in i generatorn, se Figur 5.5, detta för att säkerhetsställa miljökravet om IP-Klass 68.

(37)

25

Figur 5.3 Inre ramverkets nedre del

(38)

26

Figur 5.4 Inre ramverkets lock

Figur 5.5 Gummitätning mellan lock och nedre ramverk

(39)

27

Figur 5.6 FEM-analys för spänningsfördelningen på inre ramverket. Bilden visar en närbild på en av de tre vinklarna.

FEM-analys över statorns påverkan på ramen görs genom att beräkna vikten av statorn som är ca 34 kg. Kraften läggs på där statorn kommer att vila på ramen. Infästningen görs i botten av ramen, kraften som läggs på beräknas till 240 N per vinkelprofil och ger då enligt Figur 5.6 en maxspänning på 12,9 MPa och en säkerhetsfaktor på 13.

Analysen visar att konstruktionen kommer att hålla och inga förstärkningar är nödvändiga.

Analys över ramens påverkan av dess egenvikt kunde inte genomföras på ett tillfredställande sätt och lämnades därför utanför rapporten.

(40)

28 5.1.2 Yttre ramverk

Det yttre ramverket har som funktion att fästa samman vågabsorbatorn med

vågkraftsverkets boj. Ramverket är av rostfri metall och är uppdelat i två ramar, en övre och en undre som fästs samman med låspinnar från Lesjöfors, för mer information kring låspinnarna se avsnitt 5.1.9, den övre har större profil än den nedre vilket möjliggör att den undre skjuts in i den övre. Ramarna har även flertalet hål för att man ska kunna ställa in generatorns höjd ska ha jämtemot vågkraftsverkets boj, man kan tack vare denna konstruktionslösning bestämma på vilket djup generatorns boj ska vara på. Den övre delen av ramverket, Figur 5.7, har en fyrkantsprofil på 35𝑥35 𝑚𝑚 och är

konstruerad med två genomgående hål i varje ben. Den nedre delen av ramverkets profil är 25𝑥25 𝑚𝑚 och är designad med 14 hål i varje ben, Figur 5.8. Med två låspinnar i varje ben kan det yttre ramverket justeras ca 800 𝑚𝑚 i höjdled.

Figur 5.7 Övre del av yttre ramverk

(41)

29 Figur 5.8 Nedre del av yttre ramverk

FEM-analys utförs på övre och undre ramverk separat. Kraften som läggs på är densamma i båda simulationerna och beräknas från den totala vikten på generatorn.

Kraften uppskattas till 1400 N.

Simuleringen i Figur 5.9 visar att den största spänningen som uppstår i den övre delen är 3,765 MPa och säkerhetsfaktorn var 6,6. Konstruktionen håller och inga förändringar är nödvändiga.

Figur 5.9 FEM-analys för spänningsfördelning på övre del av yttre ramverk

(42)

30

Simuleringen visar att den största spänningen som uppstår i den nedre delen är 1,638 MPa och säkerhetsfaktorn var 15. Konstruktionen håller och inga förändringar är nödvändiga. Figur 5.10 visar simuleringen utförd i SolidWorks.

Figur 5.10 FEM-analys för spänningsfördelning på nedre del av yttre ramverk

(43)

31 5.1.3 Skal

Till skalet används ett 0,2 mm korrosionsbeständig plåt, som bockas och svetsas. Skalet är uppdelat i fyra delar, två delar tillhör det nedre inre ramverket nedre del och två tillhör locket, se Figur 5.11. Plåten till lockets sida och topp bockas och svetsas samman för att skapa ett yttre skydd för det inre ramverkets lock, Figur 5.13. På samma sätt sammanfogas sidplåten och botten till det inre nedre ramverket, se Figur 5.12. Sidorna till locket och det nedre ramverket har även försetts med överlappning för att få två längsgående svetsningar istället för en, se Figur 5.14. Locket har utrustats med handtag för enklare hantering. Innan skalen nitas fast med det två ramarna förses den med

gummitätningar för att erhålla IP-Klassificeringen som produktkravet kräver. Dessa skal efterbehandlas med en gul färg, samma som på vågkraftverkets boj.

Figur 5.11 Alla fyra delar av skalet; botten, topp och sidorna till dessa

Figur 5.12 Skal för nedre ramverk; sida och botten

(44)

32 Figur 5.13 Skal för locket; sida och topp

Figur 5.14 Överlappningen av sidorna

(45)

33 5.1.4 Kullagerhus

Kullagerhuset håller det linjära kullagret på plats samt har en avgörande del i generatorns täthet, huset (Figur 5.15) är konstruerat för att service på lagerhuset ska kunna genomföras utan något krav på specialverktyg. Lagerhuset svetsas samman med fjäderplåten (Figur 5.18), sedan förs gummitätningar in i lagerhuset för att uppnå miljökravet angående IP-Klass 68. Dessa säkras upp med ett lock (Figur 5.16) som är skruvat in i lagerhuset, för att lätt kunna byta lagret krävs enbart en standardskruvmejsel av typ PH2 eller PZ2. Lagerhuset är placerat under generatorn, utanför skalet, för att maximera åtkomsten. Lagret är förberett för installation av smörjnippel, dock kräver detta mindre ingrepp på lagerhuset. Då lagret enligt uppgifter från SKF (Göransson, 2018) ska stå emot väta är det inte säkert att en smörjnippel behövs, detta bör testas fram på prototypen innan en smörjnippel installeras. Lagerhuset, locket och fjäderplåten är av rostfri metall, SS-2303, medan tätningarna är av gummi.

Figur 5.15 Lagerhus

Figur 5.16 Lock till lagerhus

(46)

34

Figur 5.17 Lagerhus, lock och fjäderplåt. Svetsas där lagerhuset fästs i fjäderplåten.

(47)

35 5.1.5 Fjäderplåtar

I den inre ramens botten och lockets nedre sektion skruvas fjäderplåtarna fast. Fjäder svetsas sedan fast på fjäderplåtarna. Den nedre fjäderplåten har tre urfräsningar för de tre styraxlarna, detta för att underlätta positioneringen vid montering. Urfräsningarna kräver hög lägestolerans vid tillverkningen. Plåtarna är 7 mm tjocka och av rostfritt stål.

Figur 5.18 Fjäderplåtar, till vänster övre fjäderplåt, till höger nedre fjäderplåt 5.1.6 Styrplåt för styraxlar

Funktionen för styrplåten är att positionera styraxlarna i rätt läge, därför krävs hög lägestolerans på håltagningen av de tre hålen lokaliserade kring centrumhålet.

Styrplåten sitter skruvad i ramen för att kunna tas bort vid service och underhåll av generatorns ingående delar. Centrumhålet är till för att ge frigång för fjädern och de triangulära hålen är för viktreducering. Materialet är rostfri metall.

Figur 5.19 Styrplåt

(48)

36 5.1.7 Spännring styraxlar

Spännringen är av ABS-plast, se Figur 5.20, och pressas in i styrplåtens hål, se Figur 5.21. Dessa håller styraxlarna centrerade, anledningen till att dessa implementerades är för att underlätta installeringen av styraxlarna som ska föras igenom spännringarna och för att minimera håltoleranskravet på styrplåten.

Figur 5.20 Spännring, färgen har ingen konstruktionsmässig mening utan är tillagd för att spännringen lättare ska synas i renderingarna.

Figur 5.21 Spännringar monterade i styrplåten

(49)

37 5.1.8 Fjäder

Framtagning av de optimala dimensionerna för fjädern har gjorts i samarbete med Mattias Hartvigsson från Lesjöfors (Hartvigsson, 2018). Se Bilaga 5 för vidare information av fjäderns dimensioner.

5.1.9 Inköpta delar till upphängning Smörjnippel

Smörjnippel är inte med i konstruktionen av generatorn men har tagits fram som ett förbättringsförslag på kullagerhuset, den smörjnippel som passar det linjära kullagret är framtaget i samarbete med från SKF, artikel nr. VN-LHC 40, och kräver

efterbearbetning på kullagerhuset för installation. För mer information kring smörjnippeln se Bilaga 7.

Styraxlar

Styraxlarna är solida precisionsaxlar från SKF´s sortiment, artikel nr. LJM12x1358- ESSC2, se Bilaga 8.

Låspinne

Låspinnarna används för att kunna höja och sänka det yttre ramverket. Köps från Lesjöfors, artikel nr. LSR 8955. För fullständig information se Bilaga 1.

Figur 5.22 Låspinne LSR 8955

(50)

38 Linjärt kullager

Den linjära rörelse som translatorn och bojen har inom konstruktionen medför att det stag som sammankopplar dessa två komponenter utsätts för väta och förs in och ut i generatorn, dock behöver generatorns innanmäte vara torrt. Därför ställs det ett högt krav på rörelsefrihet och täthet i genomgången. Detta löstes genom att låta staget gå igenom ett linjärt kullager, fäst i ett hus på generatorns botten, försedd med

gummitätningar, se Figur 5.23. Det linjära kullagret, se Figur 5.24, är från SKF, artikel nr. LBCR 30A-2LS/HV6, och har dubbla gummitätningar mot staget samt mot huset, lagret är valt med hjälp ifrån SKF. För fullständig information se Bilaga 3. Det går även att förse lagret med en smörjnippel, för att trycka in olja i lagret, dock kommer denna konstruktion förses med en nippel då det först behöver testas hur väl lagret står emot väta. står emot väta.

Figur 5.23 Linjärt kullager LBCR 30A-2LS/HV6 monterat i kullagerhuset, renderat i turkost för att synas bättre

Figur 5.24 Linjärt kullager LBCR 30A-2LS/HV6, kosmetisk bild

(51)

39

5.2 Konstruktion av stator

Statorns består av 3 huvuddelar statorplåtar, infästning och upphängning samt fästdon.

Dessa komponenter är konstruerade för att kunna justeras i horisontellt och vertikalt läge.

Figur 5.25 Statorn

(52)

40 5.2.1 Statorplåt

Statorplåten är 1 mm tjocka och är staplade i par om 84 stycken, varje par är

fastskruvade med tre infästningar. Totalt sitter sex par med statorplåtar i den hexagonala upphängningen. Materialet, M600-100A, för plåtarna är specifikt valt för dess

magnetiska egenskaper och är ett vanligt förkommande material i statorplåtar. Runt de sex urfräsningarna i plåtarna (se Figur 5.26) skall koppartråd lindas i par, det vill säga att urfräsning 1 lindas samman med urfräsning 4, 2 med 5 och 3 med 6. Lindningen av koppartråden är dock inte med i detta projektarbete. Denna form är den som Tumlin (Tumlin, 2017) använt i sin simulering, efter prototyptester kan dock denna

konstruktion eventuellt behövas konstrueras om för att effektivisera utformningen.

Materialet är valt för att inte påverka magnetfältet från translatorn.

Figur 5.26 Statorplåt, från vänster urfräsning 1 till 6

5.2.2 Statorinfästning

Då statorplåtarna ska sitta samman i par om 84 styck utformades en infästning som klämmer ihop plåtarna, dessa fästes sedan i upphängningen. Varje stapel med plåtar har tre infästningar och varje infästning har två justerbara hål för att kunna justera det gap som krävs mellan stator och translator och som motsvarar produktkravspecifikationen, se avsnitt 1.5. Infästningen är av samma tjocklek och material som statorplåtarna för att inte störa magnetfältet från translatorn. Statorinfästningens uppgift är att klämma fast de 84 statorplåtarna och fästa samman dessa sektioner med upphängningen

(53)

41 Figur 5.27 Statorinfästning

Simuleringen görs genom att lägga kraften parallellt med sidorna som fästs i statorpaketet, detta för att simulera vikten av statorplåtarna och kopparlindningen.

Kraften delas upp på de tre statorinfästningarna. Den beräknade kraften är 47 N och läggs längs med de sidorna som sitter mot statorn, både på in och ut sidan. Infästningen läggs där statorinfästningarna fästs i ramen. Analys med 2 mm plåt ger en

säkerhetsfaktor på 37.

Figur 5.28 Fem-analys för spänningsfördelningen på statorinfästningen med endast kraften från statorns vikt tillagd.

(54)

42

Beräkningar görs även på den kraft som motsvarar dragningskraften från magneterna.

Kraften beräknas från Figur 5.29. Kraften bedöms att vara cirka 80 N på 3 mm avstånd, vilket är det avstånd som var önskat av beställaren.

Figur 5.29 Graf över magneternas dragningskraft med avseende på avståndet från magneten (Supermagnete, 2018)

Efter analys togs valet att gå ner till 1 mm plåt på grund av onödigt hög säkerhetsfaktor.

Med detta kunde samma plåt som till statorplattorna användas. Ytterligare en simulering gjordes med magneternas dragningskraft tillagd. Se Figur 5.30. Vilket gav en

säkerhetsfaktor på 8.2.

Figur 5.30 FEM-analys för spänningsfördelning med magneternas dragningskraft tillagd på 1 mm tjock plåt.

(55)

43 5.2.3 Statorupphängning

Statorupphängning har konstruerats för att koppla samman de sex sektionerna av

statorplåtar samt fäster dessa i ramverket. Att ha statorn i en hel sektion är till fördel vid montering, justering och service, jämfört med om varje sektion är fria från varandra.

Upphängningen är även designad med rektangulära hål, dels för att koppartråden som ska lindas runt statorplåtarna behöver lika mycket utrymme bakom som framför, men även för att reducera dess egenvikt. Konceptet har här sitt vertikala snitt mitt över en statorsektion. Snittet kan med fördel flyttas till ena hörnan i den hexagonala formen för att underlätta tillverkningen och minska krafterna på svetsningen se Figur 5.32. Detaljen är gjord i stålet SS-EN 10106.

Figur 5.31 Statorupphängning

(56)

44

Figur 5.32 Statorupphängning, vertikalt snitt kan flyttas för att bland annat underlätta vid tillverkning

Simulering av upphängningen för statorplåtarna genomförs genom att tillsätta den kraft som motsvarar statorns vikt i vertikal led. Kraften beräknas som tidigare för

statorinfästningen. Kraften från magneterna sätt riktade mot mitten av detaljen och är den samma som i statorinfästning. Infästningen sätts där statorupphängningen kommer att stå på de vinklar som är svetsade i ramen. Här väljs sidan med svetsen bort i

simuleringen för att inte få ett missvisande resultat.

Figur 5.33 FEM-analys för spänningsfördelning på statorupphängning

(57)

45

Simuleringen visar att statorupphängningen kan stå emot de krafter som påfrestar konstruktionen. Detaljen har en säkerhetsfaktor på 36 och den högsta uppvisade spänningen var 11,96 MPa.

För att försöka hålla nere vikten på generatorn simulerades ett försök med

statorupphängningen gjord i aluminium. Simuleringarna visade då att konstruktionen blev för svag och ett konstruktionsstål, SS-EN 10106, valdes istället.

5.2.4 Plasthakar

Plasthakarna skruvas fast i det inre ramverket ovan statorupphängningen, se Figur 5.35, och håller den på plats, då de inte har någon märkbar påfrestning konstruerades de i plast. Detaljen är i ABS-plast och är konstruerad för formsprutning.

Figur 5.34 Plasthake

Figur 5.35 Plasthakar monterade över translatorupphängningen

(58)

46

5.3 Translator

Bestående av sex komponenter är translatorn rent tillverkning- och

konstruktionsmässigt den mest komplicerade detaljen i generatorn. Detta beroende på dess vikt- och materialkrav, men även för att detaljerna kräver en del invecklad bearbetning. Translatorn är försedd med 96 mindre magneter, sex glidlager, sex magnetplåtar, tre glidlagerfästen och de precisionsrör som kopplar samman translatorn med bojen. Vid montering av translatorn krävs en del svetsningar men den är

konstruerad för att man enkelt ska kunna byta glidlager, utan att behöva skära upp svetsarna.

Figur 5.36 Translatorn

Figur 5.37 Translator, delad vy

(59)

47 5.3.1 Magnetplåt

Magnetplåtar har som funktion att hålla magneterna på plats, därför har den fyra urfräsningar som är tänkt att hjälpa till vid monteringen av magneterna. I diskussioner med handledare, Mohd Nasir Ayob (Ayob, 2018), och en kollega med expertis inom magnetfält, Petter Eklund (Eklund, 2018), beslutades att en beräkning, i

simuleringsprogrammet COMSOL, behövdes för att bestämma det material och den tjocklek som krävs för att ge minst påverkan av magnetfälten. Se Figur 5.39.

Beräkningen visade att tjockleken behövde vara minst 6 mm, om materialet valdes till konstruktionsstål SS-2172, se Figur 5.39. Detta gav visserligen en ökad vikt jämfört med den initiala tjockleken på 4 mm men genom att ändra på andra detaljer i translatorn kunde vikten hållas nere. I samråd med Momentum Industrial AB (Sahström & Pykarn, 2018), ändrades precisionsaxeln som sammankopplar bojen med translatorn till ett precisionsrör vilket sparade ca 3 kg för translatorns totala vikt.

Figur 5.38 Magnetplåt

(60)

48

Figur 5.39 Comsolgraf över magnetfältets förhållande till plåtens tjocklek (Eklund, 2018)

5.3.2 Glidlagerfäste

Fästet består av ett svarvat rör och är framtaget för att hålla glidlagren på plats. Rören svetsas samman med fästplattorna och förses sedan med glidlager och låsringar.

Glidlager skjuts på precisionsaxlarna och har implementerats för att leda translatorn och förhindra att den rör sig horisontellt. Glidlagren säkras upp med låsringar för att hindra att de hoppar ur.

Figur 5.40 Glidlagerfäste

5.3.3 Upphängning av translator

Denna detalj har den geometriska mest komplicerade utformningen i translatorn, det på grund av toleranskraven för delen. Upphängningens uppgift är att hålla alla translatorns

(61)

49

detaljer, förutom magneterna, på plats och har en avgörande del i translatorns linjära bana. För translatorns konstruktion krävs två upphängningsplåtar, som svetsas samman i ändarna av de tre glidlagerfästen som sitter i upphängningens tre yttre cirkulära hål, se Figur 5.41. Vid svetsningen kan man med fördel montera 2-3 magnetplåtar för att säkerställa att avståndet mellan plåtarna är korrekt. De sex mindre hålen är avsedda för att fästa vinklarna, detta genom att en mutter svetsas på plåtens undersida för den övre plattan, respektive översida för den nedre plattan. Runt centrumhålet svetsas

fjäderstoppen fast, se Figur 5.37.

Figur 5.41 Upphängning av translator

Upphängningen av translatorn simuleras genom att tillsätta sex vertikala krafter som motsvarar tyngden av magnetplåtar och magneter. Den totala kraften delas på två då vikten kommer att distribueras på två detaljer. Krafterna estimeras till 10 N vardera.

Figur 5.42 visar spänningsfördelningen på detaljen som pekar på att inga förstärkningar är nödvändiga, då simuleringen gav en säkerhetsfaktorn på 190.

(62)

50

Figur 5.42 FEM-analys för spänningsfördelning på upphängning av translator 5.3.4 Vinkel

Vinklarna fäster och justerar magnetplåtarnas position. Detaljen är konstruerad i 2 mm tjock plåt.

Figur 5.43 Vinkel

(63)

51

Vid simulering av vinkeln sätts infästningen där vinkelbeslaget fästs i upphängningen av translatorn. Kraften läggs parallellt med den sidan som fästs i magnetplåten för att motsvara vikten av plåten och magneterna. Kraften beräknas på samma sätt som i simuleringen för upphängningen av translatorn. Figur 5.44 visar att konstruktionen kommer att hålla utan några problem då simuleringen påvisade en säkerhetsfaktor på 302.

Figur 5.44 FEM-analys av spänningsfördelningen på vinkel 5.3.5 Fjäderstopp

Fjäderstoppet fördelar krafterna och hindrar att magnetplåtarna slår i ramverket när translatorn når sina ändlägen. Denna del är solid konstruktionsstål och svetsas samman med fästplattan.

(64)

52 Figur 5.45 Fjäderstopp

Fjäderns påverkan på fjäderstoppet vid kollision analyseras. Kraften estimeras till 300 N och infästningen sätts där detaljen svetsas fast i upphängningen av translatorn. Figur 5.46 pekar på att kollisionen kommer att ha en mycket liten påverkan på fjäderstoppet och inga ändringar är nödvändiga.

Figur 5.46 FEM-analys för spänningsfördelning på fjäderstop

(65)

53 5.3.6 Inköpta delar för translator Glidlager LPBR12

Valet av glidlager, se Figur 5.47, gjordes i samråd med SKF (Göransson, 2018).

Glidlager valdes istället för kullager på grund av att glidlager har en högre stöttålighet.

För fullständig information se Bilaga 4.

Figur 5.47 Glidlager LPBR12 Precisionsstav

Precisionsstaven är har en yttre diameter på 30 mm, en inre diameter på 18 mm, en ytjämnhet på maximalt 𝑅𝑎 0,3 𝜇𝑚 och är 1500 mm lång. Produkten är specialgjord för att passa tillsammans med LBCR 30A-2LS/HV6 och är även den framtagen i samråd med SKF (Göransson, 2018), se Bilaga 8.

Låsringar styrpinne

Låsringar används för att hålla glidlagren på plats i glidlagerfästet.

Magnet

Magneterna, se Figur 5.48, har dimension på 40 𝑥 20 𝑥 10 𝑚𝑚 och en styrka på 25 kg, dessa beställs från Supermagnete, artikel nr. Q-40-10-20-N (Supermagnete, 2018).

Magneterna dimensionerades av Camilla Tumlin (Tumlin, 2017). För fullständig information se Bilaga 2.

(66)

54 Figur 5.48 Magnet (Supermagnete, 2018) Lim

För att fästa magneterna på magnetplåten används ett lim rekommenderat av leverantören för magneterna, UHU MAX REPAIR (Supermagnete, 2018). För fullständig information se Bilaga 6.

5.4 Övriga detaljer

Inköpta detaljer som inte passar in i de andra kategorierna.

5.4.1 Tygstrumpa

Lösningen för att skydda precisionsstaven och det linjära kullagret från sand och smuts var att använda ett material som släppte igenom vatten men höll ute smuts och sand.

Materialet behövdes vara elastiskt och ha en lång livscykel. Valet föll på en dräneringsstrumpa som spänns fast i lagerhuset och vid bojens infästning.

Figur 5.49 Tygstrumpa (Wetzel Technische Netze, 2018)

(67)

55 5.4.2 Boj

Bojen som sitter i änden av precisionsstaven köps in för att sedan modifieras för att kunna fästas i staven. Bojen fästs förslagsvis med någon form av klämma. Exakt hur bojen kommer att fästas har inte konstruerats på grund av brist på tid. Den valda bojen, se Figur 5.50, har en bärighet på 28 kg (Biltema, 2018).

Figur 5.50 Boj, artikel nr. 25652

(68)

56

(69)

57

6 Resultat

Den färdiga konstruktionen av den linjära vågabsorbatorn som visas i Figur 6.1 till Figur 6.8 är de konstruktionslösningar som examensarbetet resulterat i. Konstruktionen har presenterats för handledare, beställare och berörda parter inom projektet för

vågkraftverket på Uppsala Universitet.

Figur 6.1 Färdig konstruktion, till vänster med skal, till höger utan skal

Figur 6.2 Färdig konstruktion, förstorning av vågabsorbatorn

(70)

Kap. 6 Resultat

58

6.1 Upphängning

Den slutgiltiga upphängningen har simulerats med FEM, dock är inte fästpunkter till vågkraftverkets boj framtagna i dagsläget. Fästpunkter i kraftverkets boj tas förslagsvis fram efter prototypen färdigställts. Det inre ramverkets längd har bestämts efter

fjädrarnas komprimering och ger translatorn en slaglängd på 1000 mm. Fjädrarnas komprimering är beräknat på translatorns vikt och de maximala vågrörelserna för vinterhalvåret, vilket medför att vågor under detta värde ger en kortare slaglängd för translatorn och vågornas rörelser vid exempel storm ger en något högre slaglängd.

Figur 6.3 Upphängning, med och utan skaldetaljer

Figur 6.4 Ramverk, övre utan lock

(71)

59 Figur 6.5 Kullagerhus

6.2 Stator

Statorns konstruktion visas i Figur 6.6 och är det slutgiltiga koncept som framtagits, bortsett från att den hexagonala upphängningen. Det rekommenderas att upphägningen konstrueras om genom att flytta på snittet i plåten för att underlätta vid tillverkningen av detaljen. Lindningen av koppartråden är ej med i figuren.

Figur 6.6 Stator utan lindningar.