BE1019030A5 - Turbocompressorsysteem. - Google Patents

Abstract

Een turbocompressorsysteem (9) dat een hoge snelheidsmotor bevat die een rotor (12) bevat die relatief draaibaar is opgesteld ten opzichte van de stator, waarbij een of meerdere turbowielen (impellers) (11) vast verbonden zijn aan de rotor (12), waarbij de stator actieve motordelen en een mantel (7) bevat, bestaande uit een ferromagnetische statorkern (6) en een wikkeling die is opgebouwd uit toroïdaal gewikkelde spoelen (5), waarbij de voornoemde mantel (7) zodanig is opgebouwd dat extra open ruimte tussen de statorkern (6) en de mantel (7) ontstaat die een koelkanaal (15), waar doorheen procesgas axiaal wordt geleid om de voornoemde actieve motordelen (6-5) en de rotor (12) rechtstreeks te koelen alvorens te worden gecomprimeerd in een of meerdere voornoemde impellers (11).

Description

Turbocompressorsysteem.

De uitvinding heeft betrekking op een turbocompressorsysteem dat een hoge snelheids elektrische motor bevat en op een werkwijze voor het vervaardigen van een turbocompressorsysteem.

In een turbocompressorsysteem worden een of meerdere impellers vast gekoppeld aan een as. Voor een goede werking van het systeem moeten de impellers aangedreven worden aan zeer hoge snelheden, bijvoorbeeld 20000 tot 100000 toeren per minuut en zelfs nog hoger. Dergelijke snelheden werden traditioneel bereikt door een impeller te koppelen met een standaard inductiemotor via een tandwieloverbrenging met hoge overbrengingsverhouding. De verliezen in een dergelijke tandwieloverbrenging kunnen aanzienlijk zijn en hebben een ongunstige impact op het rendement van het systeem. Bovendien weegt een dergelijke overbrenging veel en neemt ze veel plaats in.

Intussen hebben nieuwe ontwikkelingen in de hoge snelheids motor technologie het mogelijk gemaakt direct aangedreven turbocompressoren te bouwen. Door de snelheid van de motor te verhogen is er minder koppel nodig voor hetzelfde vermogen. Aangezien het volume van een elektrische motor bij goede benadering evenredig is met het koppel, impliceert dit echter ook dat de vermogen- en verliesdichtheid van een hoge snelheids motor veel hoger is dan die van een traditionele elektromotor. Het gevolg daarvan is dat de operationele grenzen van hoge snelheidsmotoren in hoge mate bepaald worden door de koelcapaciteit en door de mate waarin verliezen onder controle worden gehouden.

Er werden eerder al tal van methoden gepubliceerd voor het koelen van elektrodynamische machines. Uiteraard werden heel wat van deze technieken overgenomen binnen het domein van direct aangedreven turbomachines. Hieronder wordt een overzicht gegeven van technieken voor het koelen van radiale flux machines met een binnenrotor.

Het is gebruikelijk koelvinnen aan te brengen aan de buitenkant van een machine. Hun koelcapaciteit kan worden verbeterd door geforceerde convectie toe te passen. In het specifieke geval van een compressor, kan men alle of een deel van het procesgas hiervoor gebruiken. In het kader van direct gedreven turbomachines wordt deze laatste techniek bijvoorbeeld getoond in US 6675594 B2, KR 10/0572849 BI en KR 10/0661702 BI.

Het is tevens gebruikelijk een fluïdum -meestal een vloeistof- te leiden door een reeks koelkanalen of -mantels voorzien in de behuizing rond de stator. Indien goed ontworpen, kunnen hiermee zowel koper- als ijzerverliezen op een efficiënte manier afgevoerd worden. Hoewel ogenschijnlijk eenvoudig, zijn er toch een aantal constructieaspecten die een bijzondere aandacht vereisen. Zo moeten de koelkanalen over het algemeen afgedicht worden van de rest van het systeem. In systemen waarbij het koelmedium in direct contact staat met een gelamelleerde stator, is elke lek naar de binnenkant van de stator ongewenst. Dit laatste kan vermeden worden door een dunne supplementaire mantel, maar dat introduceert op zijn beurt een extra thermische weerstand. Dergelijke koeltechnieken komt men veelvuldig tegen in het kader van direct aangedreven turbomachines, zoals bijvoorbeeld in US 5605045 A, US 5857348 A,US 6296441 Bl, US 6579078 B2, US 6675594 B2, US 6685447 B2, US 7160086 B2, US 7240515 B2, US 2007/269323 Al, US 7338262 B2, US 7367190 B2, KR 10/0572849 Bl, WO 00/17524 Al, WO 00/49296 Al en WO 2008/138379 Al. Hieromtrent is echter heel wat voorbekendheid in patenten die enkel betrekking hebben tot het koelen van motoren of generatoren als dusdanig, zoals bijvoorbeeld in US 3184624 A, US 3480810 A, US 3567975 A, US 4516044 A en US 4700092 A. In US 2003/038555 Al en US 6507991 BI wordt dit concept toegepast op een tandloos motorontwerp, waarbij de koelkanalen worden gevormd door radiaal buitenwaartse vinnen geïntegreerd in de magnetische kern.

Externe koelkanalen of -mantels zijn niet altijd voldoende om een systeem thermisch onder controle te krijgen. Vaak worden de stator en/of de spoelen voorzien van interne axiaal gerichte koelkanalen. Deze laatste kunnen volledig afgedicht zijn van de omgeving, waardoor koeling met speciale koelmedia mogelijk is. Ze kunnen echter ook open zijn, wat het koelfluïdum toelaat ook andere structuren zoals de wikkelkoppen rechtstreeks te koelen. In het kader van turbomachines komt men deze technieken bijvoorbeeld tegen in US 6471493 B2, US 2008/253907 Al, WO 00/49296 Al, WO 2007/110281 Al en EP 1680855 BI.

De voorgaande methodes concentreren vooral op het afvoeren van warmte gegenereerd in de statorkern en de spoelen. Warmte gegenereerd in dieper liggende structuren, zoals de rotor en de luchtspleet (luchtwrijving) , wordt daarmee amper af gevoerd. Om die reden komt men vaak koelmethodes tegen waarbij een gas -meestal lucht- op een geforceerde manier door de ruimte tussen de stator en de rotor wordt geleid. Er kunnen meerdere stromingsconfiguraties onderscheiden worden: gas dat de open ruimte langs één axiale kant binnenkomt en het langs de andere axiale kant verlaat; of gas dat de open ruimte binnenkomt/verlaat langs beide axiale kanten en het radiaal verlaat/binnenkomt waardoor tevens extra koeling van de stator en de spoelen optreedt. In het domein van turbomachines komt dit bijvoorbeeld voor in US 6579078 B2, US 6994602 B2, US 7160086 B2, WO 95/08861 Al, WO 2007/110281 Al en WO 2008/138379 Al. Pal et al., cfr. US 2007/018516 Al, voorzien daarbovenop een soort labyrint structuur tussen de stator en de rotor om de koeling nog verder te verhogen. Het idee een motor te koelen door een geforceerde convectie in de ruimte tussen- stator en rotor is niet specifiek voor turbocompressoren. Zo is er voorbekendheid in patenten die enkel betrekking hebben op motoren, zoals bijvoorbeeld in US 3110827 A, US 4544855 A of GB 772973 A.

De druk die nodig is om een gas te doen stromen door de ruimte tussen stator en rotor kan afkomstig zijn van een aparte ventilator, van een ventilator of zogenaamde "blower" bevestigd op of geïntegreerd in de as, of zelfs van een aftakking na de eerste compressietrap in het geval van een compressor. Kim et al., cfr. KR 2001/0064011 A, creëren ventilatie van de ruimte tussen de stator en de rotor door middel van een dunne spiraalvormige groef aan de binnenzijde van de stator of op het oppervlak van de rotor. De axiale drukval wordt beïnvloed door de tangentiële versnelling van het gas bij het binnenkomen en verlaten van de ruimte. Dit effect is van bijzonder belang bij hoge snelheids motoren, waarbij de omtrekssnelheid van de rotor extreem hoog kan worden. In dergelijke gevallen kunnen relatief hoge vermogens vereist zijn om geforceerde convectie te realiseren, wat een negatieve invloed heeft op het totale systeemrendement. Het vereiste vermogen kan verminderd worden door de afstand tussen stator en rotor te vergroten, of door extra vrije ruimte te voorzien in de gleuven aan de kant van de gleuf openingen. Beide voorstellen hebben echter ook een invloed op het elektromagnetische ontwerp.

Indien de toepassing het vereist, kan de binnenzijde van de rotor eveneens gekoeld worden door een geforceerde stroming van een of ander fluïdum door een bepaalde configuratie van axiale en/of radiale openingen, zoals bijvoorbeeld in US 5605045 A, US 6296441 Bl, US 6685447 B2 en GB 2454188 A.

Naast ijzer-, koper- en luchtwrijvingsverliezen in het hart van de machine, ontstaat een groot deel van het koperverlies in de wikkelkoppen. Deze kunnen eveneens door geforceerde convectie gekoeld worden. Dit kan onafhankelijk of in combinatie met een van de voorgaande methodes gebeuren. Expliciete voorbeelden hiervan, in het domein van turbomachines, zijn bijvoorbeeld te vinden in US 6009722 A, US 6471493 B2, US 6675594 B2, US 7160086 B2, US 2008/253907 Al, WO 00/49296 Al, KR 2001/0064011 A, KR 10/0661702 Bl en WO 2008/138379 Al. Er is echter ook voorbekendheid in bijvoorbeeld US 3932778 A, US 4246503 A, US 4306165 A en CH 397844 A.

De wikkelkoppen kunnen ook gekoeld worden door hen in te bedden in een elektrisch isolerend maar thermisch geleidend materiaal, om zodoende een thermische brug te bouwen tussen de wikkelkop en een ander thermisch geleidend materiaal -vaak de behuizing. Dit kan bijvoorbeeld gevonden worden in US 4128527 A, US 4492884 A, US 6201321 Bl en US 6445095 Bl.

Tot nog toe werden enkel technieken besproken waarmee verliezen kunnen worden afgevoerd. Het spreekt voor zich dat ontwerpers eerst en vooral moeten proberen de verliezen van het volledige systeem zo laag mogelijk te houden. Dit is extra belangrijk in hoge snelheidsmotoren, omdat hun vermogen- en verliesdichtheid buitengewoon hoog is. Hieronder worden een aantal alternatieven besproken.

Zo kan er bijvoorbeeld gekozen worden tussen verschillende motortypes. Elektronisch gecommuteerde machines met permanent magneet bekrachtiging, zoals permanent magneet synchrone machines (PMSM) of borstelloze gelijkstroommachines (BLDC), roteren aan dezelfde snelheid als die van het opgelegde draaiveld. De verliezen die in de rotor ontstaan zijn te wijten aan de vertanding van de stator en de harmonischen in de aangelegde stroom. Hun waarde is klein en sowieso spelen ze geen rol voor het principiële werkingsmechanisme van de machine. In een inductiemotor echter worden extra rotorverliezen gegenereerd ten gevolge de slip, met andere woorden het relatieve snelheidsverschil tussen de rotor en het opgelegde draaiveld. Bovendien is het rendement van een inductiemotor gevoeliger aan snelheidsvariaties, wat hen minder aantrekkelijk maakt voor toepassingen waar de snelheid over een groot bereik gecontroleerd moet worden.

Bij een hoge snelheids toepassing, gekenmerkt door relatief lage koppels, is de slip van een inductiemachine erg laag en spelen ook andere elementen een rol bij de keuze van een geschikt motortype. Zo zijn inductiemachines voordelig gezien hun relatief beperkte kost en vrij eenvoudige aansturing. PMSM machines met magneten bevestigd op het rotoroppervlak en omgeven door een cilindrische huls om centrifugale belasting op te vangen, zijn gecompliceerder en kunnen dus duurder zijn. Anderzijds, rotordynamische overwegingen bij hoge snelheids inductiemotoren vereisen over het algemeen een volle rotorconstructie zonder gelamelleerd blik, waardoor andere ontwerpbenaderingen nodig zijn en het kostvoordeel verkleint.

Andere motortypes zoals geschakelde reluctantiemotoren en traditionele gelijkstroommotoren zijn minder geschikt om op hoge snelheden te werken en worden daarom niet verder besproken hier.

Naast het onderscheiden van motortypes op basis van hun werkingsprincipe, kan men ook motoren vergelijken op basis van hun statorconstructie. De grote meerderheid van radiale flux motoren heeft een vertande stator. De spoelen kunnen daarbij geconcentreerd worden rond een enkele tand of verdeeld worden over een deel van de statoromtrek. Geconcentreerde wikkelingen zijn makkelijker te monteren dan verdeelde wikkelingen, maar de resulterende ruimtelijke verdeling van de magneto-motorische kracht veroorzaakt hogere harmonische verliezen en koppelrimpels. Dit maakt verdeelde wikkelingen meer geschikt voor hoge snelheids applicaties.

Zelfs wanneer een machine is uitgevoerd met een verdeelde wikkeling, dan nog zal een vertande stator meer verliezen induceren in de rotor dan een tandloze stator, omdat er bij deze laatste een veel grotere afstand is tussen de statorkern en de rotor. Tandloze machines hebben daardoor ook lagere rimpelkoppels. Dit maakt tandloze machines uitermate geschikt voor hoge snelheids toepassingen, in het bijzonder in combinatie met een permanent magneet rotor. Een grondig onderzoek naar tandloze permanent magneet hoge snelheids motoren kan gevonden worden in de PhD thesis van Jörgen Engström, "Analysis and Vérification of a Slotless Permanent Magnet Motor for High Speed Applications".

Een andere manier om de verliezen in een motor te beheersen zit in de keuze van het materiaal voor de statorkern. Indien gelamelleerd blik wordt gebruikt, kan men de wervelstroomverliezen verminderen door de dikte van de lamellen te verkleinen, al kan daardoor de materiaalkost wel aanzienlijk toenemen. Naast de dikte speelt de materiaalklasse (de "grade") een cruciale rol bij het minimaliseren van de verliezen. Zowel niet-georiënteerde als georiënteerde bliksoorten worden gebruikt in elektromotoren. Niet-georiënteerd blik wordt frequent gebruikt omwille van zijn isotropische eigenschappen. Anderzijds is het aangewezen de anisotrope eigenschappen van georiënteerde bliksoorten te exploiteren daar waar dat ook maar mogelijk is. Ten eerste, standaard beschikbare georiënteerde blikken vertonen lagere specifieke verliezen dan standaard beschikbare niet-georiënteerde blikken (bijvoorbeeld 0,73 -* 1,11 W/kg vergeleken met 2,1 -* >8 W/kg, alle waardes bij 1,5 T (Tesla) piek en 50 Hz) . Ten tweede, standaard beschikbare georiënteerde blikken zijn dunner dan standaard beschikbare niet-georiënteerde blikken (e.g. 0,23 -► 0,35 mm vergeleken met 0,35 -► 0,65 mm). Bijgevolg, voor een bepaalde gegeven kost, frequentie en fluxdichtheidsniveau, kan een machine opgebouwd met georiënteerd blik een hoger rendement hebben dan een identieke machine opgebouwd uit niet-georiënteerd blik. Een grondige bespreking van de eigenschappen van elektrisch staal kan gevonden worden in het boek "Electrical Steels for Rotating Machines", door Philip Beckley.

Als alternatief kan men ook gebruik maken van gesinterde zacht magnetische composiet poeders (SMC). Deze zijn in het bijzonder interessant voor hoge snelheidstoepassingen omwille van hun beperkte wervelstroomverliezen bij hogere frequenties. Bovendien kunnen ze ingezet worden in niet-conventionele motor configuraties doordat ze 3D isotrope magnetische en thermische eigenschappen bezitten. Anderzijds is hun permeabiliteit en hun verzadigingsfluxdichtheid kleiner dan dat van motorblik. Ook is de productie van kleine series in veel gevallen moeilijk economisch te verantwoorden. Een beschrijving van enkele toepassingen van deze materialen in elektrische motoren kan o.a. gevonden worden in de publicaties "Soft magnetic composites offer new PM opportunities" door Persson et al, "Comparative Study of High-Speed PM Motors with Laminated Steel and Soft Magnetic Composite Cores" door Yunkai Huang et al. en "Expérience with ATOMET Soft Magnetic Composites Properties, Pressing Conditions and Applications" door Viarouge et al.

Men zou daarnaast nog kunnen overwegen om dunne amorfe of nano-kristallijne linten te gebruiken voor de kern. Doordat deze zeer dun en hard zijn, verslijten de bewerkingsgereedschappen sneller, wat de kost van een kern doet toenemen. Bovendien zijn deze materialen broos en bezitten ze een aanzienlijke magnetostrictie. Bijgevolg zijn stators opgebouwd uit dergelijke materialen onderhevig aan grotere materiaalspanningen die variëren aan veelvouden van de draaisnelheid, waardoor hun levensduur vermindert. Wil men dergelijk materiaal toch gebruiken in motoren, moeten speciale voorzieningen getroffen worden. Er zijn een aantal motortoepassingen bekend, zoals te vinden in US 4255684 A, US 6737784 B2 en US 6960860 Bl.

Om het motorverlies verder te reduceren, kan men ook enkele maatregelen nemen buiten de motor. Een veel gebruikte methode is het gebruik van een sinusfilter. Hiermee worden hogere harmonische stromen gefilterd, die anders niet-synchroon roterende magneetvelden en bijgevolg extra verliezen in de rotor zouden produceren.

Een ander voorbeeld is de vermogenelektronische omvormer. Principieel bestaat een omvormer uit een aantal halfgeleiders die voortdurend aan-uit schakelen volgens een bepaald patroon. Hoe lager de schakeltrequentie is, hoe hoger de harmonische inhoud van de stroom is en hoe hoger de motorverliezen zijn. Vanzelfsprekend worden de verliezen beïnvloed door het specifieke schakelalgoritme (bijvoorbeeld sinusoïdale pulsbreedte modulatie, ruimtevector modulatie, etc.), naast het aantal fases en polen van de motor.

Uit al het voorgaande volgt dat aan optimaal thermisch beheer van een hoge snelheids motor enkel gerealiseerd kan worden door een weloverwogen combinatie van de verschillende aangegeven maatregelen. In feite moet de ontwerper van een hoge snelheids motor een aantal van zijn beslissingen nemen op een hoger niveau dan dat van de motor alleen. Zo is het totale systeemrendement een van de belangrijkst te controleren parameters in het geval van een compressor. In die zin is het niet voldoende om de verliezen in sommige delen onder een bepaalde waarde te krijgen. Dit moet immers ook op een efficiënte manier kunnen, tegen een aanvaardbare kost en in het licht van het volledige systeem.

Bijvoorbeeld, een hoge schakelfrequentie van de halfgeleiders mag dan wel zeer voordelig zijn voor het motorverlies, maar het veroorzaakt een hoog omvormerverlies. Er moet bijgevolg een compromis tussen beide gevonden worden. In het bijzondere geval van een hoge snelheids motor kan dit een moeilijke oefening worden, omdat de basisfrequentie van de machine sowieso al hoog is en er bijgevolg een hoge schakelfrequentie nodig is om nog een acceptabele harmonische inhoud van de uitgaande stroom te verkrijgen.

In een ander voorbeeld wordt koelgas geleid door de ruimte tussen stator en rotor en/of andere kanalen in de machine. Of de benodigde druk nu verkregen wordt via een aparte ventilator, een kleine geïntegreerde ventilator op de as, of van een aftapping na de eerste compressietrap, het vraagt een zeker vermogen en heeft aldus een invloed op het totale systeemrendement.

In sommige toepassingen wordt het procesgas volledig geleid over een reeks vinnen of door een soort koelmantel rond de stator, alvorens gecomprimeerd te worden. Daarmee wordt weliswaar extra uitrusting vermeden, maar ook dit gaat gepaard met een zeker rendementsverlies, omdat het drukverlies gecompenseerd moet worden door een hogere drukverhouding in de trap en omdat het gas al wat warmer wordt alvorens de compressie begint. Deze koelmethode wordt ondermeer beschreven in US 6009722 A, US 6675594 B2, US 6774519 B2, WO 00/49296 Al, WO 02/50481 Al, KR 10/0572849 Bl en KR 10/0661702 Bl.

Deze uitvinding heeft betrekking op radiale flux tandloze motoren voor turbocompressoren. Daarom wordt een overzicht gegeven van de stand van de technologie rond radiale flux tandloze motoren.

Radiale tandloze motoren kunnen onderscheiden worden op basis van hun spoel- en kernconstructie. In vele gevallen is het spoelconcept eerder traditioneel, in de zin dat de ijzeren kern de koperen geleiders volledig omgeeft. Binnen deze klasse kan een verder onderscheid gemaakt worden tussen enerzijds spoelen die de ruimte tussen stator en rotor nagenoeg homogeen opvullen, en anderzijds spoelen waarvoor dit niet het geval is. Daarnaast komt men nogal wat tandloze ontwerpen tegen waarbij spoelen toroïdaal gewikkeld zijn rond de ijzeren kern, waardoor er koper is aan beide radiale zijden van de kern. Binnen deze klasse kan men een onderscheid maken tussen enerzijds ontwerpen waarbij de kern uit één geheel bestaat en anderzijds ontwerpen waarbij de kern is opgebouwd uit een reeks segmenten.

Voorbeelden van radiale tandloze motoren met een ijzeren kern die een homogeen verdeelde verzameling van geleiders volledig omgeeft zijn te vinden in patenten US 4211944 A, US 5197180 A, US 5313131 A, US 5998905 A, US 6072262 A, US 6507991 Bl, US 2003/038555 Al, US 6806612 B2, US 7269890 B2, US 2007/269323 Al, WO 02/15229 Al, WO 2004/098025 Al, WO 2008/085466 Al, EP 0653112 Bl, CA 1136200 Al, JP 8154350 A, JP 2002/325404 A, JP 2002/345217 A, JP 2005/110454 A en JP 2006/288187 A. Ter referentie wordt aangegeven dat het motorconcept in patenten US 2003/038555 Al en US 6507991 BI ook tot deze klasse behoort, maar tevens een gesegmenteerde kern bevat bestaande uit twee boogvormige delen.

Voorbeelden van radiale tandloze motoren met een ijzeren kern die een niet-homogeen verdeelde verzameling van geleiders volledig omgeeft zijn te vinden in patenten US 4563808 A, US 4818905 A, US 6894418 B2, US 7084544 B2, WO 91/01585 Al, WO 00/07286 Al, EP 1680855 Bl, GB 2429849 B, JP 2001/333555 A, JP 2002/272049 A, JP 2003/102135 A, JP 2005/110456 A, JP 2007/014140 A, JP 2007/135392 A, JP 2007/336751 A, RU 2120172 CI and RU 2206168 C2. De verschillen tussen al deze concepten zijn over het algemeen te vinden in de constructie van de spoelen en de kern, en in de materialen die gebruikt worden voor de kern.

Voorbeelden van radiale tandloze motoren met een toroïdale spoel gewikkeld rond een statorkern bestaande uit één stuk worden gevonden in patenten US 4103197 A, US 4547713 A, US 4563606 A, US 5304883 A, US 5455470 A, US 6242840 Bl, US 6344703 Bl, US 6989620 B2, US 7145280 B2, US 2008/018192 Al, US 7391294 B2, WO 00/49296 Al, WO 2004/057628 A2, EP 1017151 A2, EP 0964498 Bl, EP 1017153 Bl, EP 1100177 Al, DE 3629423 Al, GB 2436268 B, JP 2008/048490 A, KR 2004/0065520 A en KR 10/0804810 Bl. In alle gevallen heeft de magnetische kern een holle cilindrische vorm. De concepten verschillen vooral in de manier waarop de spoelen en de kern worden geconstrueerd.

Voorbeelden van radiale tandloze motoren met een toroïdale spoel gewikkeld rond een statorkern bestaande uit een reeks van segmenten werden maar in een beperkt aantal patenten gevonden. Zhang, EP 1324472 A2, stelt een holle cilindrische kern voor bestaande uit drie boogvormige segmenten. Choi, KR 2004/0065521 A, KR 2004/0065529 A en KR 2004/0065531 A, stelt een zeshoekige kern voor bestaande uit zes lineaire segmenten. Dat laatste is interessant voor constructiedoeleinden, maar het introduceert anderzijds een niet-uniforme afstand tussen stator en rotor, met een beetje rimpelkoppel als gevolg.

Het idee om een stator op te bouwen met segmenten is niet nieuw, zeker niet in het domein van grote motoren of generatoren. Het kan echter ook aantrekkelijke voordelen opleveren bij kleinere machines. Zo wordt de rotor van hoge snelheids motoren om rotordynamische redenen meestal opgebouwd met een volle stalen as. In dergelijke gevallen is het binnenste deel van een geponste lamel schroot, waar men echter wel voor betaald heeft. Met een gesegmenteerde kern kunnen daarentegen aanzienlijke materiaalbesparingen gerealiseerd worden. Soms wordt segmentatie doorgevoerd om nuttig gebruik te kunnen maken van de aantrekkelijke eigenschappen van georiënteerd blik, zoals eerder beschreven (US 4672252 A, US 2006/043820 Al). Nog verdere materiaalbesparingen kunnen ontstaan wanneer de tand- en kernsegmenten apart geponst worden (GB 1395742 A, US 2001/030486 Al, WO 01/05015 A2, WO 99/01924 Al, WO 01/34850 A2, DE 102004029442 Al) . Segmentatie kan ook nuttig aangewend worden om de montage van de spoelen en/of het hele productieproces te vergemakkelijken (US 5986377 A, US 6507991 Bl, US 6583530 B2, US 6781278 B2, US 7084545 B2, US 7122933 B2, US 2003/038555 Al, US 2005/269891 Al, EP 1322022 Bl, EP 1901415 Al, GB 2394123 B, DE 102005055641 Al, JP 54041401 A, KR 2004/0065521 A).

Deze uitvinding heeft betrekking op een turbocompressorsysteem dat een hoge snelheidsmotor bevat men een aantal fazen groter dan één. De motor bevat een stator en een rotor die relatief draaibaar is opgesteld ten opzichte van de stator. Op de rotor worden een of meerdere turbowielen (impellers) vast verbonden. De stator bevat actieve motordelen en een mantel. De actieve motordelen omvatten een ferromagnetische statorkern en een wikkeling. De wikkeling is opgebouwd als een reeks van toroïdaal rond de statorkern gewikkelde spoelen, zodanig dat de spoelen fysisch van elkaar gescheiden zijn door een open ruimte. De mantel is zodanig opgebouwd dat extra open ruimte tussen de statorkern en de mantel ontstaat. De open ruimte vormt een koelkanaal dat aan de binnenzijde begrensd wordt door de rotor en de statorkern en aan de buitenzijde begrensd wordt door de statorkern en de mantel. Door het koelkanaal wordt procesgas axiaal geleid om de actieve motordelen en de rotor rechtstreeks te koelen alvorens te worden gecomprimeerd door één of meerdere impellers.

Door een turbocompressorsysteem op deze manier op te bouwen, wordt een sterk geïntegreerd systeem verkregen. Dit systeem heeft verschillende karakteristieke eigenschappen en erbij horende voordelen.

• Het procesgas zelf wordt gebruikt om de hoge snelheidsmotor te koelen, alvorens gecomprimeerd te worden. Dit veroorzaakt een lichte opwarming van het procesgas en een kleine drukval. Het extra vermogen dat dit vereist om het procesgas achteraf te comprimeren, kan teruggewonnen worden op systeemniveau omdat er geen extra apparatuur nodig is om een ander koelmechanisme te realiseren. Het is de kunst om het systeem zodanig te ontwerpen dat zowel de temperatuurstijging als de drukval voor de compressie geminimaliseerd worden.

• De stator is ontworpen met een toroïdaal gewikkelde kern. Hierdoor ontstaat een maximaal open structuur, zodat koelgas tegelijkertijd in nauw contact kan komen met zowel de ferromagnetische kern als de spoelen.

• De statorkern wordt bij voorkeur uitgevoerd als een serie aaneengeschakelde kernsegmenten om zoveel mogelijk materiaal te besparen en het assemblageproces te vergemakkelijken, opeenvolgende segmenten kunnen zelfs voorzien worden van een spoel alvorens aan elkaar geschakeld te worden.

• De kernsegmenten van de statorkern worden bij voorkeur uitgevoerd als een stapeling van dun georiënteerd blik met een lage verliesdichtheid, aangezien dit de magnetische verliezen tot een minimum beperkt tegen een aanvaardbare kost.

• De segmenten van de statorkern worden bij voorkeur opgebouwd met lamellen voorzien van buitenwaarts gerichte uitsteeksels. Dit verbetert enerzijds de koeling van de kern. Anderzijds moeten op die manier geen vinnen worden aangebracht achteraf. Bovendien verhoogt dit de lekinductantie van de spoelen, waardoor de verliezen ten gevolge van stroomharmonischen beperkt worden.

• De mantel wordt bij voorkeur uitgevoerd door een flexibel materiaal met enige voorspanning te wikkelen rond de buitenwaartse uitsteeksels. Zodoende wordt er een radiale kracht uitgeoefend op de uitsteeksels, waardoor de statorkern automatisch gefixeerd wordt. Door de veelhoekige vorm van de mantel wordt bovendien elke mogelijke relatieve tangentiële beweging tussen de mantel en de statorkern uitgesloten. Ook is dit proces eenvoudig en kost-effectief. Er is daarmee geen noodzaak tot een gecompliceerde en dure behuizing.

• De motor is van een tandloos type, waardoor de verliezen ten gevolge van gleufharmonischen virtueel geëlimineerd worden en de verliezen ten gevolge van harmonischen in de stroom en de magnéto motorische kracht drastisch gereduceerd worden.

Met de bedoeling de kenmerken van de uitvinding beter te illustreren, wordt hierna als voorbeeld zonder enig beperkend karakter een beschrijving gegeven van enkele voorkeursuitvoeringsvormen van een turbocompressorsysteem volgens deze uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 een recht kernsegment van de statorkern voorstelt; figuur 2 een recht kernsegment van de statorkern voorstelt met een spoel erop gemonteerd; figuur 3 een veelhoekige statorkern voorstelt bestaande uit twaalf rechte kernsegmenten volgens figuur 1; figuren 4 tot en met 6 een variant volgens de figuren 1 tot en met 3 voorstellen, maar met boogvormige kernsegmenten van de statorkern; figuur 7 de doorsnede toont van een tandloze motor volgens deze uitvinding, met een rotor en een buitenste mantel; figuur 8 een kernsegment toont van een statorkern met radiaal buitenwaartse uitsteeksels aan één kant; figuur 9 een segment toont van een statorkern met radiaal buitenwaartse uitsteeksels aan één kant en een spoel erop gemonteerd via de andere kant; figuur 10 het gebruik toont van elektroblik bij segmenten met uitsteeksels aan één kant; figuur 11 een kernsegment toont van een statorkern met radiaal buitenwaartse uitsteeksels aan beide kanten.

figuur 12 een kernsegment toont van een statorkern met radiaal buitenwaartse uitsteeksels aan beide kanten en een spoel erop gemonteerd via een direct wikkelproces; figuur 13 het gebruik toont van elektroblik bij kernsegmenten met uitsteeksels aan beide kanten; figuur 14 een veelhoekige kern voorstelt bestaande uit twaalf kernsegmenten met uitsteeksels; figuur 15 een veelhoekige kernsegment voorstelt bestaande uit twaalf kernsegmenten met uitsteeksels, 3D aanzicht; figuur 16 een veelhoekige statorkern voorstelt bestaande uit twaalf kernsegmenten met uitsteeksels en een omhullende mantel; figuur 17 een langsdoorsnede toont van een één-traps compressor, volgens deze uitvinding, met een tegenovergesteld gemonteerde impeller; figuur 18 een langsdoorsnede toont van een één-traps compressor, volgens deze uitvinding, met een op traditionele wijze gemonteerde impeller; figuur 19 een langsdoorsnede toont van een twee-traps compressor, volgens deze uitvinding, met een tegenovergesteld gemonteerde impeller voor de lage druk trap en een op traditionele wijze gemonteerde impeller voor de hoge druk trap; en figuur 20 een langsdoorsnede toont van een twee-traps compressor, volgens deze uitvinding, met een op traditionele wijze gemonteerde impeller voor beide trappen.

De statorkern van een hoge snelheids motor volgens deze uitvinding wordt bij voorkeur opgebouwd uit een aantal zacht-magnetische kernsegmenten 1 met een plaatvormige segmentbasis 2. De segmentbasis 2 kan recht uitgevoerd worden, zoals getoond in figuur 1.

Bij voorkeur wordt het kernsegment 1 verder voorzien van verbindingsmiddelen, in dit geval in de vorm van in- en uitstulpingen, met de bedoeling de kernsegmenten 1 aan elkaar te verbinden. Volgens de voorkeursuitvoering van deze uitvinding, worden de voornoemde in- en uitstulpingen uitgevoerd met een zwaluwstaartachtige structuur over de longitudinale zijranden van de voornoemde segmentbasis 2, meer bepaald een zwaluwstaartvormige groef 3 aan één kant van de segmentbasis 2 en een zwaluwstaartvormige rib 4 aan de tegenoverliggende kant van de segmentbasis 2.

Alvorens aan elkaar verbonden te worden, wordt een spoel 5 bevestigd aan elk kernsegment 1, zoals getoond in figuur 2. Er zijn ten minste twee manieren om een dergelijke spoel 5 te bevestigen. Bij een eerste methode, kan men manueel en/of automatisch een spoel 5 wikkelen op een rechthoekige bobijn alvorens deze bobijn te schuiven over en te bevestigen aan het kernsegment 1. Bij een tweede methode kan men manueel en/of automatisch een flexibele isolatie wikkelen rond kernsegment 1, gevolgd door een direct wikkelproces van de geleiders bovenop deze isolatie. In beide gevallen is het risico om de geleiderisolatie te beschadigen heel wat kleiner dan bij de manuele insertie van een wikkeling in een vertande stator. Bovendien kan men tevens eenvoudig gebruik maken van Litz-draden. Litz-draden zijn ontworpen voor gebruik in hogere frequentie toepassingen en zijn bijgevolg de betere keuze in hoge snelheids motoren.

Nadat alle kernsegmenten aan elkaar verbonden zijn, wordt een toroïdaal gewikkelde zacht-magnetische statorkern 6 bekomen. In dit geval heeft de dwarsdoorsnede van de statorkern 6 een veelhoekige vorm, zoals getoond in figuur 3. Het totale aantal kernsegmenten 1 hangt af van een aantal factoren. Ten eerste, het aantal kernsegmenten 1 moet een geheel of rationaal veelvoud zijn van het aantal fazen. Ten tweede, in het bijzondere geval van een veelhoekige statorkern 6, hangt het aantal kernsegmenten 1 af van het maximaal toegestane rimpelkoppel veroorzaakt door de magnetische niet-uniformiteit van de ruimte tussen de statorkern 6 en de rotor: hoe meer, hoe beter. Ten derde, in het geval dat twee lagen geleiders worden gewikkeld rond elk kernsegment 1, met de bedoeling een tweelaagswikkeling te realiseren, hangt het af van de verdeling van de magneto-motorische kracht over de omtrek van de statorkern 6: hoe meer, hoe beter. Ten vierde, hangt het af van de productiekost: hoe minder, hoe beter.

Bijgevolg moet er een afweging gemaakt worden tussen deze parameters.

Om de verliezen in de statorkern 6 te minimaliseren, worden de zacht-magnetische kernsegmenten 1 bij voorkeur opgebouwd als een opeenstapeling van gelamelleerde georiënteerde blikken. De individuele lamellen worden gestapeld in axiale richting. De meerderheid van de magnetische veldlijnen volgen de contour van de dwarsdoorsnede van de statorkern 6. Om die reden valt, bij gebruik van rechte kernsegementen 1, de magnetische voorkeursrichting van het georiënteerde blik bij voorkeur samen met de tangentiële centerlijn van de kernsegmenten 1.

Figuur 4 toont een variant van kernsegment 1 volgens figuur 1, waarin de segmentbasis 2 een boogvorm heeft en dewelke in dit geval eveneens voorzien is van in- en uitstulpingen in de vorm van een zwaluwstaartverbinding.

Figuur 5 toont het boogvormig kernsegment 1 van figuur 4 voorzien van een spoel 5. Figuur 6 toont een statorkern 6 opgebouwd uit meerdere aan elkaar verbonden boogvormige kernsegmenten 1 van figuur 4, waarbij de dwarsdoorsnede van deze statorkern 6 een holle cilindrische vorm heeft.

Om de verliezen in de statorkern 6 te minimaliseren in het geval dat boogvormige segmenten opgebouwd zijn als een stapeling van lamellen van georiënteerd blik, moet de magnetische voorkeursrichting van het blik samenvallen met de loodlijn op de bissectrice van de hoek bepaald door de tangentiële uiteinden van kernsegment 1.

In het geval van kernsegmenten 1 met andere dan de hiervoor besproken rechte of gebogen vorm, zoals verder besproken, moet de meest optimale magnetische voorkeursrichting van het blik bepaald worden aan de hand van een grondige numerieke analyse. Ongeacht het geval, is het de bedoeling de magnetische reluctantie van de statorkern 6 voor veldlijnen die de contour van die statorkern 6 volgen te minimaliseren. Uiteraard kunnen de kernsegmenten 1 ook gemaakt worden uit niet-georiënteerde zacht-magnetische staalsorten, amorfe of nano-kristallijne zacht-magnetische banden, zacht-magnetische poeder composieten en/of andere zacht-magnetische materialen.

In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding, kan de statorkern 6 opgebouwd worden als een stapeling van veelhoekige of buisvormige lamellen uit één stuk. Dit verhoogt de stijfheid van de kern. Anderzijds wordt hierdoor het wikkelproces bemoeilijkt. Bovendien leidt het tot grote hoeveelheden blikafval bij het ponsen of snijden van het blik, aangezien de centrale delen van het blik niet gebruikt worden. Daarenboven vereist dit het gebruik van niet-georiënteerd blik, wat minder aantrekkelijke eigenschappen heeft dan georiënteerd blik.

Een kernidee van deze uitvinding is het omsluiten van de actieve statordelen op een of andere manier met een mantel 7, zoals getoond in figuur 7 die een motor 10 voorstelt met een centrale rotor 12 en een omhullende stator, welke stator gevormd wordt door de mantel 7 en door actieve motordelen die gevormd worden door de statorkern 6 en door één of meer wikkelingen die zijn opgebouwd uit een aaneenschakeling van spoelen 5.

De mantel 7 kan opgebouwd zijn uit meerdere aparte segmenten, maar dat is geen vereiste. De mantel 7 kan gemaakt zijn uit zacht-magnetisch materiaal. In dat geval verhoogt de mantel 7 de lekinductantie van de wikkeling en vermindert ook de harmonische inhoud van de stroom. Dit wordt beschreven door Nilson in patent US 6989620 B2. Het creëert ook een thermisch laag-resistief pad. Anderzijds worden er ijzerverliezen opgewekt in een dergelijke mantel 7. Hieraan kan gedeeltelijk verholpen worden door de mantel 7 op te bouwen als een opeenstapeling van lamellen of door de mantel 7 te wikkelen met behulp van zacht-magnetische draad. De mantel 7 mag ook gemaakt zijn van niet-magnetisch maar wel elektrisch geleidende materialen, zoals aluminium, om zodoende toch een thermisch laag-resistief pad te creëren. De mantel 7 kan evenzeer vervaardigd worden uit een niet-geleidend materiaal zoals een stevige kunststof of glasvezel. Constructieaspecten voor de mantel 7 worden verder besproken.

Verwijzend naar figuur 7, gezien vanuit de axiale zijde, is er heel wat tangentiële ruimte tussen opeenvolgende spoelen 5, in het bijzonder in de buurt van de mantel 7. De radiale ruimte tussen de spoelen 5 en de mantel 7 kan gekozen worden door de ontwerper. De resulterende ruimte is in de eerste plaats bedoeld als axiaal kanaal voor procesgas, met de bedoeling de actieve delen van de stator te koelen alvorens gecomprimeerd te worden. Er is hierdoor steeds een axiale drukval die in rekening gebracht moet worden tijdens het ontwerp van de compressietrappen en die een ongunstige invloed heeft op het benodigde vermogen voor de compressie. De grootte van deze drukval kan echter beïnvloed worden door de binnendiameter van de mantel 7 aan te passen. Wanneer het geheel goed ontworpen werd, kan deze drukval zeer klein zijn ten opzichte van de gewenste drukverhouding van het gehele systeem.

De meerderheid van het verlies gegenereerd in de statorkern 6 van figuur 7 wordt afgevoerd door middel van geforceerde convectie over de vrije oppervlakken van de statorkern 6. Verliezen opgewekt in het centrum, onder de spoelen 5, moet eerst door middel van conductie een tangentiële weg afleggen, alvorens radiaal te worden geëvacueerd door convectie. Om het convectieve oppervlak te vergroten, en dus ook een hogere koelcapaciteit te verkrijgen, kunnen bijvoorbeeld radiaal naar buiten gerichte uitsteeksels 8 voorzien worden aan één uiteinde van de kernsegmenten 1, zoals getoond in figuur 8.

In dit geval bevatten de kernsegmenten 1 principieel een vlakke segmentbasis 2 met een schuin naar beneden gebogen gedeelte aan één kant van de segmentbasis 2. Op die manier ontstaat een asymmetrisch V-vormige dwarsdoorsnede met twee benen 2A en 2B, aangezien het naar beneden gebogen gedeelte een eerste been 2A vormt en het resterende gedeelte een tweede been 2B vormt, dat in dit geval aanzienlijk langer is in lengte dan been 2A. De hoek A gevormd door benen 2A en 2B is eerder groot en situeert zich in het bereik tussen 95 en 175 graden, en bij voorkeur ongeveer 155 graden, afhankelijk van het aantal kernsegmenten 1 dat wordt gebruikt.

Zoals hiervoor beschreven worden de buitenwaarts gerichte uitsteeksels 8 voorzien aan één uiteinde van het kernsegment 1, en in dit geval in de buurt van het gebogen uiteinde van de segmentbasis 2. In dit voorbeeld staan vier uitsteeksels 8 loodrecht op het eerste been 2A en vier andere uitsteeksels 8 loodrecht op het tweede been, waardoor de gezamenlijke uitsteeksels op beide benen 2A en 2B bij benadering een V-vorm vertonen.

Aangezien de uitsteeksels op het tweede been 2B enkel voorzien zijn in de buurt van het gebogen gedeelte van de segmentbasis 2, terwijl het andere uiteinde van het been 2B vrij is van uitsteeksels, kan een bobijn gegleden worden over het kernsegment 1 via dit vrije uiteinde, zoals getoond in figuur 9. Indien georiënteerd blik wordt gebruikt voor dit type kernsegment 1, is de magnetische voorkeursrichting van het blik meer dan waarschijnlijk niet parallel aan de tangentiële centerlijn van de omliggende spoel 5, al zal het er dichtbij zijn. Enkel een numerieke analyse kan de meest optimale magnetische oriëntatie van het blik bepalen in dit geval.

Zoals aangegeven in figuur 10, treedt er een zekere verspilling van materiaal op bij het ponsen of snijden uit een grotere rol blik van de lamellen 1' waaruit dergelijke kernsegmenten 1 zijn samengesteld. Om die reden kan het bijzonder voordelig zijn kernsegmenten 1 te gebruiken met longitudinale uitsteeksels 8 aan beide zijden van elke segmentbasis 2, zoals aangegeven in figuur 11. In dat geval moet de spoel 5 manueel of automatisch gewikkeld worden met behulp van een direct wikkel proces. Het resulterende kernsegment 1 met spoel 5 wordt getoond in figuur 12. Bij gebruik van georiënteerd blik, wordt de anisotrope permeabiliteit hierdoor beter benut. Er is minder verlies aan materiaal bij het ponsen of snijden van de lamellen 1' uit een grotere rol blik, zoals aangegeven in figuur 13. In ieder geval is het materiaalverlies klein en het kostenvoordeel groot in vergelijking met toepassingen met een vertande stator waarbij de Statorlamellen uit één stuk bestaan en waarbij het centrale deel niet wordt gebruikt, zoals het geval is bij vele hoge snelheids toepassingen.

In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding worden de uitsteeksels 8 apart van de Statorsegmenten 1 vervaardigd, waardoor de uitsteeksels 8 aan het statorsegment 1 moeten bevestigd worden in een bijkomende assemblagestap. Hiermee kan de hoeveelheid afval nog verder verminderd worden ten opzichte van het voorbeeld getoond in figuur 13. Bovendien kunnen andere materialen of materiaalcombinaties gebruikt worden met het oog op het verkrijgen van optimale eigenschappen naar koeling en/of lekinductantie.

In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding worden inwaarts gerichte uitsteeksels of tanden voorzien, op een gelijkaardige manier als de buitenwaarts gerichte uitsteeksels 8, met de bedoeling zowel de koeleigenschappen als de electromagnetische eigenschappen van de motor 10 te beïnvloeden. Indien zacht-magnetische inwaartse uitsteeksels worden gebruikt, is de motor geen tandloze motor. Uiteraard kunnen zowel inwaarts als buitenwaarts gerichte uitsteeksels gecombineerd worden.

Een dwarsdoorsnede van de volledige statorkern 6 en spoelen 5, wanneer kernsegmenten 1 van het type getoond in figuren 8 of 11 worden gebruikt, is gegeven in figuur 14. Een driedimensionaal aanzicht is getoond in figuur 15. Dezelfde statorkern 6, maar omgeven door een veelhoekige mantel 7, wordt getoond in figuur 16.

De aanwezigheid van uitsteeksels 8 verhoogt de axiale drukval voor het procesgas lichtjes ten opzichte van het geval zonder uitsteeksels. Dit heeft een beperkte maar ongunstige invloed op het vereiste vermogen dat nodig is voor de compressie. Uit hun aanwezigheid kan echter voordeel geput worden. Ten eerste kunnen de uitsteeksels 8 dienen om de statorkern 6 te fixeren aan de mantel 7. De dikte van de uitsteeksels 8 moet zodanig bepaald worden dat buiging als gevolg van koppelgeneratie wordt vermeden. In een hoge snelheids motor is dit geen groot probleem omdat de koppelniveaus relatief laag zijn. Ten tweede, de uitsteeksels 8 zorgen voor wat extra magnetische strooivelden in het geval ze uit zacht-magnetisch materiaal bestaan. Hierdoor verhoogt de inductantie van de motor, waardoor de stroomrimpel en de verliezen dalen. Ten derde, indien de uitsteeksels 8 metallisch zijn, vergroten ze niet alleen het koeloppervlak maar zorgen ze ook voor een thermisch laag-resistief pad tussen de statorkern 6 en de mantel 7. In het geval de toepassing dit zou vereisen, laat dit ook andere koelmechanismes toe, zoals het voorzien van een tweede mantel met koelkanalen waar een vloeistof wordt doorheen geleid.

Een andere optie om de koelcapaciteit te verhogen is het voorzien van radiale ruimte tussen enkele of alle geleiderlagen. Deze ruimtes worden dan bij voorkeur voorzien van kleine gasafbuigende structuren, die de bedoeling hebben een zekere tangentiale stroming van het procesgas door die radiale ruimtes te realiseren. Hierdoor wordt de buitendiameter van de motor groter, maar de binnenafmeting blijft onveranderd.

Verwijzend naar figuur 16, kan de mantel 7 ook de vorm van een holle cilinder aannemen. Zo kan men bijvoorbeeld een volledig opgebouwde kern door middel van een krimpverbinding in een holle cilindrische mantel 7 vastzetten. Dit is ondermeer een interessante optie wanneer een secundaire koelmantel noodzakelijk is. Er zijn echter ook een aantal constructie argumenten in het voordeel van een mantel 7 met een veelhoekige vorm. Ten eerste wordt elke relatieve tangentiële beweging van de statorkern 6 ten opzichte van de mantel 7, ten gevolge van koppeloverbrenging, vermeden doordat de afstand tussen de mantel 7 en het centrum van de motor niet constant is. Ten tweede kan de mantel 7 met een bepaalde voorspanning gewikkeld worden, met de uitsteeksels 8 als dragende structuur. In dat geval heeft de ontwerper de vrijheid te kiezen tussen.bijvoorbeeld zacht-magnetische draad of lint; andere metallische draad, lint of plaat; en zelfs niet-geleidende materialen zoals koolstof- of glasvezel.

Figuur 17 toont een langsdoorsnede van een turbocompressorsysteem 9 volgens deze uitvinding, waarbij het turbocompressorsysteem 9 voorzien is van een hoge snelheids motor 10 met een statorkern 6 opgebouwd in overeenstemming met de bijzonderheden van de uitvinding. In dit geval is het turbocompressorsysteem 9 opgebouwd als een direct gedreven turbocompressorsysteem, aangezien een impeller 11 vast verbonden is aan de as van de rotor 12 van de motor 10.

Het gedeelte van de as van de rotor 12 onder de spoelen mag elektromagnetisch ontworpen zijn met het oog op het realiseren van zowel een permanent magneet motor als een inductiemotor.

In het voorbeeld van figuur 17 is de impeller 11 omgekeerd gemonteerd op de as van de rotor 12. De mantel 7 maakt integraal deel uit van een behuizing 13 van de motor 10. De voornoemde behuizing 13 heeft een inlaatpoort 14 voor het gas, welke gepositioneerd is bij een uiteinde van de as van de rotor 12, terwijl de impeller 11 bij voorkeur gepositioneerd is aan het andere uiteinde van de as van de rotor 12, met haar bladen gericht naar de motor 10 toe.

Wanneer de motor 10 wordt aangestuurd, begint de rotor 12 te roteren en zuigt de impeller 11 gas aan via de inlaatpoort 14 en de motor 10 doorheen het kanaal 15 dat aan de binnenzijde begrensd wordt door de rotor 12 en de statorkern 6 en aan de buitenzijde begrensd wordt door de statorkern 6 en de mantel 7.

Kenmerkend voor het turbocompressorsysteem 9 dat op die manier bekomen wordt, is dat de principiële koeling van de actieve motordelen 5 en 6 en/of van de rotor 12 gebeurt door het procesgas langs het kanaal 15 over de actieve delen te leiden (de spoelen 5 en statorkern 6) , van de stator van een hoge snelheids motor 10 met toroïdaal rond de statorkern 6 gewikkelde spoelen 5. Het benodigde vermogen voor de compressie wordt beïnvloed door de axiale drukval en temperatuurtoename alvorens de compressie plaatsvindt, en moet nauwgezet gecontroleerd worden tijdens de ontwerpfase van het turbocompressorsysteem 9. Zo wordt de axiale drukval vooral bepaald door de dimensies van de dwarsdoorsnede, terwijl de temperatuurtoename beïnvloed kan worden door een aangepast ontwerp van de elektromagnetische delen en de afstand tussen de rotor 12 en de statorkern 6.

Het belang van een goede keuze voor het materiaal van de kernsegmenten 1 werd eerder al aangehaald. De voorkeursuitvoeringsvorm van de hoge snelheids motor 10 volgens deze uitvinding, waarbij een zacht-magnetische kern mogelijkerwijze is uitgevoerd met buitenwaartse uitsteeksels 8 maar niet met inwaartse uitsteeksels, behoort tot de klasse van tandloze motoren. Er zijn een aantal aspecten waarin tandloze motoren bijkomende voordelen opleveren. Ten eerste, in een tandloze motor is de magnetische afstand tussen de statorkern en de rotor groter dan in een vertande motor, waardoor rotorverliezen ten gevolge van harmonischen in de stroom en in de magnéto motorische kracht minder gemakkelijk kunnen ontstaan. Ten tweede, aangezien de magnetische afstand tussen de rotor 12 en de statorkern 6 sowieso vrij groot is, heeft een kleine toename van die afstand een veel kleinere impact op de magnetische veldverdeling dan bij een vertande motor, waardoor deze afstand een minder doorslaggevende rol speelt bij het ontwerpproces. Concreet opent dit bijvoorbeeld de mogelijkheid door een kleine toename van deze afstand het wrijvingsverlies drastisch te reduceren en tevens de axiale drukval te beperken, zonder al te veel aan magnetische fluxdichtheid te verliezen.

Wanneer het turbocompressorsysteem 9 op een nog hoger systeemniveau wordt beschouwd, moet opgemerkt worden dat het verhoogde compressievermogen, ten gevolge van axiale drukval en temperatuurtoename alvorens de compressie plaatsvindt, kan gecompenseerd worden door het feit dat er geen ventilatoren of aftappingen stroomafwaarts van de compressor nodig zijn om een axiale stroming van koelgas te realiseren, of dat er geen ander koelmedium nodig is in het geval een secundaire mantel niet nodig wordt geacht.

Aangezien de statorkern 6 van deze uitvinding toroïdaal gewikkeld is, is de axiale lengte van de wikkelkoppen 16 vrij klein, waardoor er meer rotordynamische vrijheid ontstaat. Dit is een erg belangrijke eigenschap bij het ontwerp van hoge snelheids motoren, want het rotordynamische gedrag vormt vaak een fundamentele beperking op de prestaties. In die optiek, is er nog een extra voordeel van het voorwerp van deze uitvinding. Eens het procesgas door de actieve delen van de stator gepasseerd is, kan het eventueel direct geleid worden in een omgekeerd gemonteerde impeller 11. Daardoor moet de lagerfunctie enerzijds naar de achterkant van de impeller 11 gebracht worden, maar kan de zware impeller 11 anderzijds dichter bij het axiale centrum van de as gebracht worden, wat voordelig is voor de rotordynamica. Bovendien daalt hierdoor de totale lengte aan verbindingspijpen, wat de drukval erin ten goede komt.

Het gebruik van de voorgestelde motortechnologie voor een turbocompressor is niet beperkt tot eentraps compressoren. Enkele andere een- en tweetraps configuraties worden getoond in figuren 18, 19 en 20.

De uitvinding is op geen enkele wijze beperkt tot de als voorbeeld beschreven of in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, aangezien het turbocompressorsysteem volgens deze uitvinding gerealiseerd kan worden in alle mogelijke vormen en afmetingen.

Claims (32)

1.- Turbocompressorsysteem dat een hoge snelheidsmotor bevat met meer dan één fase, waarbij de motor (10) een stator en een rotor (12) bevat die relatief draaibaar is opgesteld ten opzichte van de stator, waarbij een of meerdere turbowielen (impellers) (11) vast verbonden zijn aan de rotor (12), waarbij de stator actieve motordelen en een mantel (7) bevat, waarbij de actieve motordelen een ferromagnetische statorkern (6) en een wikkeling bevatten, daardoor gekenmerkt dat de wikkeling is opgebouwd als een reeks van toroïdaal rond de statorkern (6) gewikkelde spoelen (5) die fysisch van elkaar gescheiden zijn door een open ruimte; dat de voornoemde mantel (7) zodanig is opgebouwd dat extra open ruimte tussen de statorkern (6) en de mantel (7) ontstaat; dat de open ruimte een koelkanaal (15) vormt dat aan de binnenzijde begrensd wordt door de rotor (12) en de statorkern (6) en aan de buitenzijde begrensd wordt door de statorkern (6) en de mantel (7); en dat door het voornoemde koelkanaal (15) procesgas axiaal wordt geleid om de voornoemde actieve motordelen (6-5) en de rotor (12) rechtstreeks te koelen alvorens te worden gecomprimeerd in een of meerdere voornoemde impellers (11) ·

2.- Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de statorkern (6) een veelhoekige vorm heeft.

3. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de statorkern (6) een cilindrische buisvorm heeft.

4. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de statorkern (6) wordt opgebouwd als een stapeling van ferromagnetische lamellen (1') uit één stuk.

5. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de statorkern (6) wordt opgebouwd als een ketting van ferromagnetische kernsegmenten (1).

6. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat elk kernsegment (1) wordt opgebouwd als een stapeling van lamellen (1') uit een zacht-magnetisch niet-georiënteerd of georiënteerd blik of uit een amorf of nano-kristallijn lint.

7. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat elk kernsegment (1) is opgebouwd als een gesinterd zacht-magnetisch poeder, gesinterd zacht magnetisch composiet of ferriet.

8. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 7, daardoor gekenmerkt dat de grootte van de deeltjes van het gesinterd zacht magnetisch poeder of gesinterd zacht magnetisch composiet kleiner is dan 500 pm.

9. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de statorkern (6) voorzien is van buitenwaartse uitsteeksels (8) .

10. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 9, daardoor gekenmerkt dat de buitenwaartse uitsteeksels (8) een verbinding vormen tussen de statorkern (6) en de voornoemde mantel (7) .

11. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 9, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde buitenwaartse uitsteeksels (8) gerealiseerd worden als integrale delen van de statorkern (6) .

12. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 9, daardoor gekenmerkt dat de buitenwaartse uitsteeksels (8) gerealiseerd worden als aparte delen vast verbonden aan de statorkern (6).

13. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de statorkern (6) binnenwaartse uitsteeksels vertoont, welke gerealiseerd zijn als integrale delen van de statorkern (6).

14. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de statorkern (6) binnenwaartse uitsteeksels vertoont, welke gerealiseerd zijn als aparte delen vast verbonden aan de statorkern (6).

15. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde mantel (7) opgebouwd is uit een enkel stuk vast materiaal.

16. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde mantel (7) opgebouwd is als een stapeling van stukken vast materiaal.

17. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde mantel (7) opgebouwd is als een ketting van segmenten.

18. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 10, daardoor gekenmerkt dat de voornoemde mantel (7) opgebouwd is als een gewikkelde band rond de buitenwaartse uitsteeksels (8).

19. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het aantal spoelen (5) een geheel of rationeel veelvoud is van het aantal fasen.

20. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de spoelen (5) gewikkeld worden met meeraderige geleiders.

21. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de spoelen (5) gewikkeld worden met geleiders van het Litz-type.

22. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de spoelen (5) direct gewikkeld worden over de ferromagnetische statorkern (6).

23. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat de spoelen (5) direct gewikkeld worden over de kernsegmenten (1) .

24. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat de spoelen (5) op voorhand gewikkeld worden op elektrisch isolerende bobijnen, vooraleer gegleden te worden over en bevestigd te worden aan de kernsegmenten (1) ·

25. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de wikkeling een eenlaags-wikkeling is.

26. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de wikkeling een meerlaags-wikkeling is.

27. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de spoelen (5) voorzien zijn van elektrisch isolerende radiale tussenstukken, opgebouwd op een manier waardoor een zekere tangentiële stroming van procesgas wordt gerealiseerd, om de interne koeling van de spoelen (5) te verbeteren.

28. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de rotor (12) permanente magneten bevat, met de bedoeling een synchrone rotatie te bekomen met. het roterende magnetische veld opgewekt door stromen in de wikkelingen van de stator.

29. Turbocompressorsysteem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat een impeller (11) vast verbonden is aan de rotor (12) op een manier waarbij procesgas in de impeller stroomt, onmiddellijk nadat het door het voornoemde koelkanaal (15) is gepasseerd.

30. Werkwijze voor het opbouwen van een turbocompressor-systeem, daardoor gekenmerkt dat de werkwijze de volgende stappen omvat: - het voorzien van een stator van een elektrische motor (10); - het voorzien van een as van een rotor (12) van een elektrische motor, die geroteerd wordt door het roterende magnetische veld gegenereerd in de stator; - het monteren van één of meerdere impellers (11) op de as van de rotor (12) op een zodanige manier dat, terwijl het turbocompressorsysteem (9) in gebruik is, procesgas wordt gecomprimeerd, onmiddellijk nadat het door de motor (10) gepasseerd is met de bedoeling daarbij de actieve motordelen te koelen.

31. Werkwijze volgens conclusie 30, daardoor gekenmerkt dat de werkwijze verder de volgende stappen omvat: het samenstellen van de stator uit actieve motordelen en een mantel (7); - het samenstellen van de actieve motordelen uit een ferromagnetische statorkern (6) en een wikkeling, waarbij de wikkeling opgebouwd is als een reeks toroïdaal rond de voornoemde statorkern (6) gewikkelde spoelen (5) die fysisch van elkaar gescheiden zijn met de bedoeling een open ruimte ertussen te creëren; en - het samenstellen van de mantel (7) met de bedoeling extra open ruimte te creëren.

32. Werkwijze volgens conclusie 31, daardoor gekenmerkt dat de werkwijze verder de volgende stappen omvat: het voorzien van de stator met buitenwaartse uitsteeksels (8) ; - het samenstellen van de mantel (7) met de bedoeling de statorkern (6) stevig te klemmen door middel van radiale krachten uitgeoefend door de mantel (7) op de voornoemde buitenwaartse uitsteeksels (8).