Suorituskykymittarien kehitys kondensaattorieristeiden tuotekehitykseen

Kevyempää tehoelektroniikkaa paremmilla muoveilla

Muovikondensaattoreita käytetään esimerkiksi tehoelektroniikassa, jota käytetään uusiutuvan sähköenergian siirtoon vaikkapa merituulivoimapuistoista kulutuskeskuksiin. Nykyisellä tekniikalla toteutetut muovikondensaattorit ovat luotettavia mutta varsin isoja ja painavia: parempia sähköeristemateriaaleja kehitetään, jotta kondensaattoreita käyttävistä laitteista saataisiin pienempiä ja kevyempiä. Varsinkin sähköverkkosovelluksissa muovikondensaattoreita vaaditaan pitkää, kymmenien vuosien käyttöikää, joten uusia materiaaleja kehitettäessä onkin äärimmäisen tärkeää varmistaa, että ne ovat vähintään yhtä luotettavia, ja mielellään toki vieläkin pitkäikäisempiä, kuin perinteiset materiaalit. Kelvatakseen kondensaattorieristeeksi muovin täytyy olla monella mittarilla mitattuna hyvä; yksikin huono ominaisuus, kuten taipumus lämmetä liikaa, voi estää muuten erinomaisen muovin käytön täysin.

Luottavuustestausta heti tuotekehityksen ensimetreillä

Väitöskirjatutkimukseni tavoitteena on laajentaa silloisen TTY:n eli nykyisen Tampereen yliopiston suurjännitetekniikan tutkimusryhmän käytössä olevaa mittausarsenaalia niin, että kaikki kondensaattorieristeiden loppukäyttökohteen kannalta tärkeät sähköiset ominaisuudet voitaisiin luotettavasti mitata jo tuotekehityksen alkuvaiheessa. Näin resurssit voitaisiin kohdentaa lupaavimpien materiaalien jatkokehitykseen. Nykyiset kondensaattorieristeet ovat erittäin pienihäviöisiä ja niiden läpilyöntilujuus on korkea, minkä takia diagnostisten menetelmien kehittäminen niille on hyvin vaativaa. Suurimpia haasteistani oli kehittää helposti toistettavat menetelmät laboratorio-asteen koe-erien luotettavuuden ja häviöllisyyden määrittämiseen. Standardoitujen luotettavuustestien käyttö olisi edellyttänyt ison mittakaavan kalvovalmistusta, joka tuotekehityksen alkuvaiheessa ei ollut mielekästä, koska tuolloin ”kalvokandidaatteja” on vielä lukuisia. Suurin väitöstyössä ottamani edistysaskel tapahtuikin, kun kehitin testijärjestelmän, jolla laboratorio-asteen pieniä eristekalvoja voidaan vanhentaa oikeita sovelluskohteita mukailevassa sähkö-lämpörasituksessa. Yksi tutkimukseni kohokohta olikin, kun menetelmää käsittelevä artikkelini julkaistiin sähköeristysalan arvostetuimpiin kuuluvassa vertaisarvioidussa tieteellisessä lehdessä. Lisäksi kehitin toki menetelmiä kondensaattoreiden muidenkin eristeominaisuuksien mittaamiseen oikeissa käyttölämpötiloissa.

Pikkutarkkaa näpertelyä mikrometriluokan kalvojen kanssa

Tutkimani muovikalvot ovat paksuudeltaan kymmenen mikrometrin (millin tuhannesosan) molemmin puolin, ja niiden käsittely vaati vakaita käsiä ja kieltämättä joskus myös hyviä hermoja. Vertailun vuoksi tavallinen kopiopaperi on noin kymmenen kertaa paksumpaa! Osan näytteenvalmisteluista pääsinkin tekemään silloisen Tampereen teknillisen yliopiston uudenkarheassa puhdastilassa. Työssäni nautinnollisinta olikin sen monipuolisuus, pääsin tapaamaan sekä kalvovalmistajia että loppukäyttäjiä, käymään tutkijavaihdossa Italiassa Bolognan yliopistossa ja tekemään kaikkea konepiirustuksesta mittausautomaatioon ja tulosten tilastolliseen analyysiin.

Mikael Ritamäki väitteli Tampereen Yliopistosta tekniikan tohtoriksi syksyllä 2019. Hän sai Tekniikan edistämissäätiöltä apurahaa jatko-opintoihinsa Tampereen teknillisessä yliopistossa vuonna 2018.

Linkit:

Tutustu suurjännitetutkimusryhmämme monipuoliseen toimintaan täällä: https://www.tuni.fi/en/research/high-voltage-engineering

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1176-6