FI108094B - Oikosulkumoottori taajuusmuuttajakäyttöä varten - Google Patents

Description

1 108094

Oikosulkumoottori taajuusmuuttajakäyttöä varten -. Kortsluten asynkronmotor för frekvensomvandlaranvändning 5

Esillä oleva keksintö liittyy oikosulkumoottoriin taajuusmuuttajakäyttöä varten, joka käsittää roottorin sydämellä, jossa sydämessä on useita oleellisesti akselin suuntaisesti ulottuvia roottorirakoja, joihin roottorin johtimet on 10 järjestetty, jolloin jokaisessa roottoriraossa on pääosa, johon on järjestetty roottorijohdin, ja rakoaukko, joka on järjestetty pääosan ja roottorin sen pinnan väliin, joka on kohti moottorin ilmarakoa.

15 On tunnettua, että asynkronimoottoria voidaan syöttään staattisella taajuusmuuttajalla, esimerkiksi moottorin suuren nopeuden aikaansaamiseksi tai moottorin nopeuden säätämisen mahdollistamiseksi. Taajuusmuuttajakäytössä syntyy kuitenkin lisää häviöitä - harmonisia häviöitä -20 moottorivirran harmonisista johtuen. Suunnittelemalla moottori siten, että sen hajareaktanssi (oikosulkureak-tanssi) on suuri, saavutetaan harmonisten virtojen ja siten lisähäiviöiden pieneneminen. Hajareaktanssin lisääminen johtaa kuitenkin moottorin suurimman vääntömomentin ja sen 25 tehokertoimen pienenemiseen, joten tällä tavalla lisä- ’ häiviöiden vähentäminen on mahdollista vain rajoitetussa määrin.

Ruotsalaisesta julkisesta patenttihakemuksesta 433 995 30 tiedetään, että taajuusmuuttajan syöttämän asynkronimoot-torin lisähäviöitä voidaan vähentää järjestämällä jokaiseen käämitystankoon akselin suuntaisesti ulottuva kanava kohti rakoaukkoa. Tällä ratkaisulla on kuitenkin useita puutteita. Sitä ei voi käyttää valumuotoa olevissa root-35 torikäämityksissä. Se tuottaa moottorin differentiaalisen hajareaktanssin suhteellisen pienen arvon ja siten suhteellisen suuret harmoniset virrat ja lisähäviöt. Maini- 2 108094 tussa ratkaisussa ei ole mahdollista tehokkaasti estää rakoaukon lähellä olevaa kenttää tunkeutumasta roottori-johtimeen ja kehittämästä siten lisähäviöitä. Lisäksi tässä tunnetussa ratkaisussa roottorijohtimen pyörrevirrat vä-5 hentävät kentän tunkeutumista johtimeen, ja aikaansaatuun vaikutukseen liittyy siten erottamattomasti määrätynastei-sia lisähäviöitä.

Keksintö pyrkii aikaansaamaan selityksen johdanto-osassa 10 mainittua lajia olevan moottorin, jossa a) voidaan käyttää sekä valettua roottorikäämitystä että tankokäämitystä, b) merkittävästi vähennetään lisähäviöitä, ja joka tuottaa 15 paremman roottorikäämin jäähdytyksen.

Edellä mainittu saavutetaan varustamalla roottorisydän keksinnön mukaisesti magneettisillalla, joka erottaa rakoaukon raon pääosasta johon roottorijohtimet on järjes-20 tetty, sekä antamalla sillalle roottorijohdinta kohti kaareutuva muoto.

Kuten alla tarkemmin selitetään, tämä aikaansaa mahdollisuuden roottorikäämin suunnittelemiseksi valettuna oi-25 kosulkukääminä, moottorin lisähäviöiden merkittävän pienentämisen ja roottorikäämin paremman jäähdytyksen.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti silta on varustettu syvennyksellä, joka muodostaa rakoaukon laajen-30 nuksen roottorijohtimen sisäosaa kohti olevaan suuntaan. Tämä johtaa rakoaukon roottorijohtimen hajavuolle tarjo-\ aman tehollisen pinta-alan kasvamiseen ja siten differen tiaalisen hajareaktanssin kasvamiseen ja harmonisten virtojen sekä lisähäviöiden pienenemiseen.

35

Edellä mainittu syvennys on edullisesti tehty rakoaukosta kohti roottorijohdinta kapenevaksi, ja samalla tavalla 3 108094 sillan leveys on tehty sillan päistä sen keskellä olevaa ja kohti roottorijohtimen sisäosaa osoittavaa osaa kohti kapenevaksi. Tämä johtaa erittäin tehokkaaseen roottori-johtimen suojaamiseen hajavuolta, ja lisäksi roottorin 5 hajareaktanssin mahdollisimman lineaariseen vaihteluun moottorin kuormituksen funktiona, joka määrätyllä maksimilla jareaktanssilla toimintapisteessä tuottaa mahdollisimman suuren differentiaalisen hajareaktanssin ja siten erittäin tehokkaan harmonisten virtojen ja lisähäviöiden 10 pienentämisen.

Keksintöä selitetään seuraavassa oheisiin kuvioihin 1-5 viitaten, joissa: 15 kuvio 1 esittää osan roottorin poikkileikkauksesta keksinnön mukaisessa koneessa; kuvio 2 esittää yksityiskohtaisemmin roottorisydämen rakenteen kuviossa 1 esitetyn roottorin erään raon kohdalla; 20 kuvio 3 esittää hajakentän kenttäviivat kuvioiden 1 ja 2 mukaisen koneen nimellisvirralla; kuvio 4 esittää hajavuon moottorin kuormitusvirran funktiona; ja kuviot 5a - 5f esittävät keksinnön mukaisen sillan 25 vaihtoehtoisia suoritusmuotoja.

Kuviot 1-4 esittävät keksinnön mukaisen oikosulkumoottorin esimerkin ja sen toiminnan. Kuvio 1 esittää osan roottorin poikkileikkauksesta kohtisuoraan roottorin pyö-30 rimisakselia kohti. Roottorin sydän 1 muodostuu tavalliseen tapaan levypaketista, jonka levyjen taso on paperin tasossa, ts. kohtisuorassa moottorin pyörimisakseliin nähden. Roottori on varustettu valetulla oikosulkukäämi-tyksella, jonka roottorijohtimet 2 - 6 on esitetty kuviossa 35 1. Roottorin raot ovat keskenään identtiset, ja seuraavassa selitetään sitä rakoa, johon on järjestetty johdin 2. Raossa on pääosa 21, johon johdin 2 on valettu. Lisäksi 4 108094 raolla on rakoaukko 22, joka sisänsä tunnetulla tavalla on järjestetty raon pääosan 21 ja roottorin sen pinnan 7 väliin, joka on koneen roottorin ja staattorin välistä ilmarakoa kohti. V-muotoinen silta 23, joka muodostaa osan 5 roottorilevyä, liittyy roottorin muihin osiin rakoaukon 22 kummallakin puolella, ja siinä on kärki kohti roottorijoh-timen 2 sisäosaa (säteen suuntaisesti sisäänpäin kohi koneen pyörimisakselia). Kuvio 2 esittää yksityiskohtaisemmin sillan 23 rakenteen. Sillä on kaksi haaraa 231, 232, 10 jotka yhtyvät roottorilevyn muuhun osaan rakoaukon 22 kummallakin puolella, ja jotka yhtyvät kärkeen 233. Haarojen väliin muodostuu ilmarako (syvennys) 234. Syvennyksen leveys e lähinnä rakoaukkoa 22 on yhtä suuri kuin rakoaukon 22 leveys d, pienentyen säteen suuntaisesti 15 sisäänpäin kohti pientä arvoa lähinnä sillan kärkeä 233. Siten haarojen 231 ja 232 väliin muodostuu ilmarako, joka käsittää rakoaukon 22 laajennuksen ja joka kapenee kohti roottorijohtimen sisäosaa. Sillan kummankin haaran suurin leveys b on lähimpänä rakoaukkoa, ja niiden leveys pienenee 20 jatkuvasti säteen suuntaisesti sisäänpäin pieneen arvoon sillän kärjen 233 lähellä.

Sillalla 23 on - piirustuksen tasossa nähtynä - kaksi päätä 235, 236, jotka liittyvät roottorisydämen 1 muuhun osaan 25 rakoaukon 22 kummallakin puolella, sekä keskeinen osa 233, joka sijaitsee päiden välissä. Sillan keskeinen osa 233 sijaitsee lähempänä roottorin akselia kuin sillan päätä 235, 236. Sillan roottoriraon pääosaa 21 kohti oleva - ja siten kohti roottori johdinta 2 oleva - pinta on siten kupera 30 eli se kaareutuu säteen suuntaisesti sisäänpäin, ts. kohti raon pääosaa 21 ja siten kohti roottorijohdinta 2.

35 5 108094

Keksinnön mukaisessa moottorissa voi olla 28 moottorijohdinta ja muutoin seuraavat arvot:

nimellisjännite 380 V 5 nimellisvirta 155 A

nimellinen pyörimisnopeus 9000 1/min nimellinen teho 80 kW roottorin halkaisija 211 mm.

10 Lisäksi sillä voi olla kuviossa 2 esitetyt mitat: d = 1,7 mm b = 1,8 mm a = 0,5 mm 15 h = 4,0 mm B = 11 mm.

Kuvio 3 esittää koneen hajakentän kenttäviivat nimellis-virralla. Silta 23 oikosulkee hajavuon rakoaukon 22 sen 20 osan ohi, joka on roottori johdinta kohti estäen tehokkaasti vuota tunkeutumasta roottorijohtimeen ja aiheuttamasta siinä lisähäviöitä. Roottoriraon ja roottoripinnan 7 välissä oleva roottorisydämen materiaali ei kyllästy edes moottorin täydellä virralla. Toisaalta sillan 23 materiaali 25 kyllästyy jo pienellä moottorivirralla, jonka jälkeen hajavuo kulkee osittain sillan kummankin haaran välisen tilan 234 kautta (B kuviossa 3) ja osittain rakoaukon 22 pääosan kautta (C kuviossa 3). Sillan kahden haaran sekä haarojen välisen tilan muoto ja mitat on valittu siten, 30 että koko sillan 23 materiaali kyllästyy magneettisesti likimain samanaikaisesti edellä mainitulla moottorin kuor-mitusvirran pienellä arvolla. Sillan leveys lähinnä sen kärkeä 233 on sopivasti tehty mahdollisimman pieneksi. Valmistusteknisistä ja lujuussyistä tätä leveyttä ei 35 kuitenkaan voi pienentää määrätyn arvon alle, esim. 0,5 mm. Hajavuon määrätty osa kulkee sen johdosta myös sillan kärjen yli (alue A kuviossa 3).

6 108094

Kuvio 4 esittää roottorin hajavuon F moottorin kuormitus-virran I funktiona. Moottorin nimellisvirta on merkitty I 1/1. Vuon komponentti FA tarkoittaa stä osaa hajavuosta, joka kulkee sillan (alueen A) kärjen 233 kautta. Koska 5 silta on mitoitettu siten, että sen materiaali kyllästyy magneettisesti jo moottorin pienellä kuormitusvirralla, vuon komponentti FA kasvaa nopeasti kyllästymisarvoon ja pysyy sen jälkeen vakiona kuormitusvirran I kasvaessa. Se vuon komponentti, joka kulkee sillan haarojen väliseen 10 alueen B kautta, on merkitty FB, ja se kasvaa lineaarisesti kuormitusvirran I funktiona. Kuvio 4 esittää vuon sen komponentin, joka muodostuu komponenttien FA ja FB summasta. Varsinaisen rakoaukon 22 kautta kulkeva vuon komponentti on merkitty FC. Kuvion 4 käyrä FA+FB+FC esittää juuri 15 mainitun kolmen vuokomponentin summaa, ts. kokonaishaja-vuota. Kuten kuviosta 4 nähdään, kokonaishajavuo on moottorin kuormitusvirran lineaarinen funktio. Määrätyllä annetulla hajareaktanssilla (joka on ylöspäin rajoitettu moottorin vääntömomenttivaatimuksella) saadaan siten mah-20 dollisimman suuri differentiaalinen reaktanssi moottorin nimelliskuormaa lähellä olevalla moottorikuormalla. Koska differentiaalinen hajareaktanssi rajoittaa harmonisia virtoja, saadaan näiden virtojen erittäin hyvä rajoitus keksinnön mukaisessa koneessa, ja tämän vuoksi koneen 25 lisähäviöiden rajoitus. Näistä syistä keksinnön mukainen moottori soveltuu erityisen hyvin käyttämään kohteita, joilla on vakio vääntömomentti, esimerkiksi kompressoreita.

Selitettyä lajia olevassa moottorissa on tärkeätä, että 30 rakoaukot 22 ovat ilman johdinmateriaalia, koska muutoin syntyisi erittäin suuria lisähäviöitä näissä aukoissa * olevaan johdinmateriaaliin.

Keksinnön mukaisen koneen edellä selitetyllä suoritusmuo-35 dolla aikaansaadaan useita tärkeitä etuja tekniikan tason taajuusmuuttajakäyttöä varten oleviin moottoreihin verrattuna: 7 108094 a) Silta 23 estää tehokkaasti sulaa johdinmateriaalia, valmistettaessa oikosulkukäämitystä valamalla, tunkeutumasta rakoaukoon, joka aiheuttaisi siinä lisä-häviöitä.

5 b) Sillan kärjen (A kuviossa 3) ja sillan haarojen välisen alueen (B kuviossa 3) kautta syntyvien ylimääräisten vuon reittien johdosta aikaansaadaan roottorin ha-jareaktanssin kasvu ja täten harmonisten virtojen ja lisähäviöiden pieneneminen. Tätä edistää hajavuon 10 hyvä lineaarisuus kuorman funktiona, joka voidaan saavuttaa keksinnön mukaisella koneella, ja jolla saadaan suuri differentiaalinen reaktanssi toimintapisteessä.

c) Silta 23 oikosulkee hajavuon rakoaukon ohi ja suojaa 15 siten tehokkaasti roottorijohdinta hajavuolta. Tällä tavalla suurilla taajuuksilla johdinmateriaalissa muutoin esiintyvät pyörrevirtahäviöt estetään tehokkaasti, ja roottorin tehollinen resistanssi harmonisilla pienenee merkittävästi.

20 d) Koska roottorijohdin koskettaa roottorilevyjä pitkin koko kehäänsä, myös rakoaukossa, aikaansaadaan tehokkaampi häviölämmön poistaminen roottorijohtimesta kuin samaa lajia olevissa tekniikan tason koneissa. Tämä parannettu jäähdytys on erityisen edullinen 25 nopeakäyntisissä moottoreissa, joissa tuuletushävi- « öiden pienentämiseksi rakoaukon 22 on oltava suljettu lähinnä ilmarakoa niin että roottorille muodostuu tasainen pinta, ja joissa vastaavasti ei voi tapahtua mitään merkittävää jäähdytystä rakoaukon kautta.

30 , t Edellä kuvattu moottori on vain esimerkki siitä, miten moottori voidaan suunnitella keksinnön mukaisesti. Keksintöä voidaan soveltaa edullisesti sekä pieniin että suuriin moottoreihin, ja sekä hidas- että erittäin nopeakäyntisiin 35 moottoreihin.

Edellä selitetyn sillan 23 suoritusmuoto on myöskin vain 8 108094 eräs esimerkki useista muista mahdollisista suoritusmuodoista. Kuviot 51 - 5f esittävät esimerkkejä muista mahdollisista suoritusmuodoista. Kuvio 5a esittää teoreettisesti edullisen suoritusmuon, jossa sekä haarojen 231 ja 5 232 ulkopuolet että sisäpuolet ovat suoria ja yhtyvät sillan kärjessä 233 olevassa pisteessä. Valmistusteknisistä syistä tätä muotoa on kuitenkin muunneltava, ja kuvioissa 1-3 esitetyn sillan suoritusmuoto käsittää käytännössä sopivan hyvän likiarvoistuksen kuviossa 5a 10 esitetystä suoritusmuodosta.

Kuviot 5b ja 5f esittävät kahta muuta mahdollista suoritusmuotoa, joissa sillan kahden haaran välisellä tilalla on vakio leveys. Kuviot 5c, 5d ja 5f esittävät vaihtoeh-15 toisia suoritusmuotoja, joissa sillan leveys pysyy vakiona pitkin sillan pituutta. Nämä suoritusmuodot ovat käytännössä kyttökepoisia ja tarjoavat etuja verrattuna tekniikan tason koneisiin, mutta verrattuna kuvioiden 1 - 3 ja kuvion 5a suoritusmuotoihin saadaan roottorijohtimen vähemmän 20 tehokas suojaus vuota vastaan ja herkempi lineaarisuus, ts. pienepi differentiaaline reaktanssi nimelliskuormalla. Kuvio 5d poikkeaa kuviosta 5f siten, että sillan korkeus (säteen suunnassa) on suurempi kuvion 5f mukaisessa sillassa. Tämä aikaansaa sillan haarojen väliin syntyvälle 25 vuon lisäreitille laajennoksen ja siten, kuten edellä mainittiin, suuremman hajareaktanssin. On havaittu, että keksinnön etujen saavuttamiseksi oleellisessa määrin, tulisi sillan korkeuden (h kuviossa 2) olla suurempi kuin rakoaukon leveys (d kuviossa 2).

30

Kuvio 5e esittää kuvion 5a muunnelman, jossa siltahaarojen '. sivut eivät muodostu suorista viivoista, vaan ovat jonkinv erran kaarevia.

35 Kuvioissa 1 - 3, 5a, 5c, 5e esitetyt sillat ovat V-muotoisia, ts. niissä on kaksi ei-samansuuntaista haaraa 231, 232, jotka kohtaavat jonkin verran pyöristetyssä 9 108094 kärjessä 233. Kuviossa 5f esitetty silta on U-muotoinen, sillä on toisin sanoen kaksi oleellisesti samansuuntaista haaraa 231, 232, joita yhdistää keskiosa 233. Kuviossa 5b esitetty silta on V-muotoinen ja sillä on U-muotoinen 5 syvennys.

Sillan kokonaisleveys (d + 2b kuviossa 2) on sovitettava kuhunkin moottoriin siten, että se tehdään niin laajaksi että saavutetaan hajavuon tehokas oikosulkeminen rakoaukon 10 ohi, muttei kuitenkaan niin suurta, että sillan haarojen välissä ja roottoriraon säteen suuntaisten reunojen välillä syntyisi merkittävää suuruusluokkaa oleva hajavuo.

Edellä selitetyissä suoritusmuodoissa keksinnön mukainen 15 silta muodostaa osan roottorilevypakettia, Vaihtoehtoisesti silta voi muodostua erillisestä osasta. Tankoihin perustuvassa roottorikäämissä silta voidaan esimerkiksi asentaa roottoritankoon, esimerkiksi liimata siihen, ja asettaa yhdessä tangon kanssa roottorirakoon.

20 25 * 30 ♦ ♦ 35

Claims (9)

10 1 08094

1. Oikosulkumoottori taajuusmuuttajakäyttöä varten, joka käsittää roottorin sydämellä (1), jossa sydämessä on useita oleellisesti akselin suuntaisesti ulottuvia roottoriuria 5 (esim. 21, 22), joihin roottorin johtimet (2 - 6) on järjestetty, jolloin jokaisessa roottoriurassa on pääosa (21) , johon on järjestetty roottorijohdin (2), ja rakoaukko (22) , joka on järjestetty pääosan (21) ja roottorin sen pinnan (7) väliin, joka on kohti moottorin ilmarakoa, 10 tunnettu siitä, että on järjestetty magneettinen silta (23) erottamaan rakoaukko (22) raon pääosasta (21), niin että sillan päät (235, 236) liittyvät roottorisydämen muuhun osaan rakoaukon kummallakin puolella, ja että sillan roottorijohtimen (2) sisäosaa kohti oleva pinta on muodol-15 taan roottorijohtimen sisäosaa kohti kaareutuva.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen oikosulkumoottori, tunnettu siitä, että sillan (23) leveys (a, b) on pienempi (a) sillan keskiosassa (233) kuin sillan päissä (b). 20

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen oikosulkumoottori, tunnettu siitä, että sillan (23) leveys pienenee jatkuvasti päistä kohti keskiosaa (233).

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen oikosul- ’ kumoottori, tunnettu siitä, että sillan (23) korkeuden (h) ja rakoaukon (22) leveyden (d) suhde on suurempi kuin 1.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen oikosul-30 kumoottori, tunnettu siitä, että silta (23) on varustettu syvennyksellä (234), joka muodostaa rakoaukon (22) laajennuksen kohti roottorijohtimen (2) sisäosaa.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen oikosulkumoottori, tun-35 nettu siitä, että syvennyksen (234) leveys (e) pienenee rakoaukosta (22) kohti roottorijohdinta.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen oikosulkumoottori, tun nettu siitä, että syvennyksen leveys (e) jatkuvasti pie nenee rakoaukosta (22) kohti roottorijohdinta. 11 1 08094

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 5-7 mukainen oikosulkumoottori, tunnettu siitä, että silta (23) on U-tai V-muotoinen kahdella haaralla (231, 232), jotka on järjestetty sillan keskustan (233) kummallekin puolelle, jolloin haarat väliinsä muodostavat mainitun syvennyksen 10 (234) .

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen oikosulkumoottori, tunnettu siitä, että rakoaukko (22) on vapaa roottorij ohtimista. 15