FI112294B - Sähkökone - Google Patents

Description

1 112294 Sähkökone Tämän keksinnön kohteena on sähkökone, joka käsittää yleiseltä muodoltaan lieriömäisen staattorin, joka 5 käsittää yhden tai useampia koneen aksiaalisuunnassa peräkkäin sovitettuja lohkoja, joihin kuhunkin on sovitettu koneen aksiaalisuuntaan nähden kohtisuoraan tasoon sovitettu rengasmainen työvirtakäämitys, ja staattorin sisässä koaksiaalisesti pyörimään sovitetun roottorin, joka käsit-10 tää koneen aksiaalisuunnassa peräkkäin sovitettuja, staattorin lohkojen kanssa kohdakkain sijaitsevia ja toisistaan magneettisesti erotettuja lohkoja, jolloin kussakin kohdakkain olevassa staattori- ja roottorilohkossa on sama määrä napoja ja jolloin rengasmaisen työvirtakäämityksen 15 sisäkehä oleellisesti rajoittuu staattorin ja roottorin väliseen ilmaväliin.

Yleisesti tunnettuna ongelmana hitaiden suorave-toisten sähkökoneiden yhteydessä on niiden suuri koko ja huono hyötysuhde. Tarvetta hitaisiin suoravetoisiin sähkö-20 koneisiin esiintyy esimerkiksi tuulivoimalakäytöissä, kal-lioporakäytöissä ja vastaavissa yhteyksissä, joissa tyy-,* pillisesti suurehko massa pyörii hitaasti tai sitä joudu- taan pyörittämään hitaasti.

·· ' Sähkökoneen kannalta seurauksena tällaisesta hi- ‘ ’ 25 taasta pyörimisliikkeestä on, että sähkökoneen kehäno- peudesta muodostuu mainituissa käytöissä pieni. Teho on .* puolestaan verrannollinen paitsi kehänopeuteen myös vuon tiheyteen ilmavälissä, ankkurivirtapeittoon sekä aktiivi-I'· ’; osan pituuteen.

30 Tunnettu rakenneperiaate, jolla vuon liikkumisno peutta ilmavälissä voidaan olennaisesti kasvattaa on ns. poikittaisvuokone, jonka yleistä rakennetta on kuvattu ’ . · johdantokappaleessa. Tämän johdantokappaleen mukaiset tun netut sähkökoneet ovat joko reluktanssiperiaatteella toi-35 mivia tai sitten ne on toteutettu kestomagneeteilla. Re- I * 2 112294 luktanssiperiaatteella toteutetussa koneessa hyötyvuo jää pieneksi, koska navan eri puolilla vaikuttavat vastakkaiset, tosin erisuuruiset vääntömomentit. Kestomagneettirat-kaisu on puolestaan itse kestomagneettimateriaalin korkean 5 hinnan johdosta kallis eikä siten sovelly taloudellisista syistä käytettäväksi vähänkään kookkaammissa koneissa.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena onkin tuoda esiin sähkökone, jossa hyödynnetään poikittaisvuokoneen periaatetta hitaasti pyörivän, mutta silti hyötysuhteelle) taan hyvän sähkökoneen aikaansaamiseksi, mutta johon ei kuitenkaan liity kestomagneeteilla tai reluktanssiperiaat-teella toteutettujen sähkökoneiden ongelmia.

Tähän päästään keksinnön mukaisen sähkökoneen avulla, jolle on tunnusomaista, että oleellisesti samaan, ko-15 neen aksiaalisuuntaan nähden kohtisuoraan tasoon kunkin staattorissa olevan työvirtakäämityksen kanssa on sovitettu rengasmainen magnetointikäämitys.

Tämän keksinnön mukaisen rakenneperiaatteen mukaisesti koneessa käytetään magnetoimiskäämitystä, joka muo-20 dostuu samanlaisista renkaanmuotoisista käämeistä kuin työvirtakäämityskin. Tällä tavoin saadaan työvirtakäämi- • · i ; tykseen indusoitua aktiivinen sähkömotorinen voima, jolla ' ; voidaan edelleen kasvattaa samasta aktiivimateriaalista : saatavaa tehoa eli edelleen kasvattaa konevakiota.

ihm * ' 25 Kun keksinnön mukaisessa sähkökoneessa kukin staat- i torinapa käsittää pakan koneen aksiaalisuuntaan sijoitet- v ·' tuja sähkölevyjä, joihin on muodostettu loveus työvirta käämityksen sijoittamista varten, on edullista, että magi'·’: netointikäämitys on sovitettu samaan loveukseen työvirta- 30 käämityksen kanssa. Työvirta- ja magnetointikäämitykset ,·, voivat sijaita toisiinsa nähden esimerkiksi joko aksiaa-

* I I

; lisuunnassa vierekkäin tai radiaalisuunnassa päällekkäin.

’··' Kun keksinnön mukaisessa sähkökoneessa magnetointi- ;'· käämitys magnetoidaan tasavirralla, on edullista, että : 35 staattorin eri lohkojen magnetointikäämitykset on kytketty

» I

3 112294 sarjaan keskenään.

Seuraavassa keksinnön mukaista sähkökonetta kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa 5 kuvio 1 esittää erittäin periaatteellisen poikki- leikkauskuvan keksinnön mukaisesti toteutetusta generaattorista, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen generaattorin päätykuvan linearisoituna, 10 kuvio 3 esittää perspektiivimäisenä havainnollis tuksena keksinnön mukaisen sähkökoneen yhden lohkon rakennetta, kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen sähkökoneen kolmivaiheisen suoritusmuodon työvirtakäämitysten kytkentää 15 ja kuvio 5 esittää keksinnön mukaisen sähkökoneen kolmivaiheisen suoritusmuodon magnetointikäämitysten kytkentää, kun magnetointi suoritetaan tasavirralla.

Yksinkertaisuuden vuoksi keksinnön mukaista sähkö-20 konetta käsitellään aluksi yksivaiheisen generaattorin ·, avulla, jollaisen erittäin periaatteellinen poikkileik- kauskuva on esitetty kuviossa 1. Tässä kuviossa 1 esite-tyssä rakenteessa, jonka päätykuva linearisoituna on esi-* tetty kuviossa 2, on viitenumerolla 1 merkitty staattoria

’ ’ 25 ja viitenumerolla 2 roottoria, joka pyörii katkoviivalla A

: merkityn akselin ympäri. Kuvion 1 suoritusmuodossa koneen v : staattorissa 1 on kaksi koneen aksiaalisuunnassa peräk käistä lohkoa 3 ja 4. Samoin roottorissa 2 on kaksi staat-torin lohkojen kanssa kohdakkain sijaitsevaa lohkoa 6 ja 30 7. Kuten kuviossa 1 on havainnollistettu, staattorin loh- ,·, kot on muodostettu yhtenäisistä koko levypaketin pituisis- ta sähkölevyistä 11 ja lohkot on erotettu ainoastaan le-vyihin 11 tehtyjen loveusten 14 avulla. Kuten kuviosta ilmenee näiden loveusten ei tarvitse olla edes kovinkaan : 35 syviä. Niiden tarkoituksena on ainoastaan erottaa toisis- , 112294 4 taan peräkkäisten lohkojen liitoskohdan eri puolille syntyvät eri merkkiset staattorinavat N ja S. Staattorin lohkot voitaisiin kuitenkin hyvin valmistaa myös erillisinä, mikä onkin edullista silloin, kun lohkojen välistä vaihe-5 eroa ei järjestetä pelkästään roottorissa, kuten kuvioiden 1 ja 2 esittämässä tapauksessa on asianlaita. Lohkot voidaan valmistaa myös esimerkiksi kahdesta aksiaalisesta osasta, jolloin käämien asettaminen loveuksiin sekä kokoonpanon että mahdollisen purkamisen yhteydessä on help-10 poa.

Kuvioiden 1 ja 2 mukaisessa suoritusmuodossa roottorin lohkot 6 ja 7 on erotettu magneettisesti toisistaan ja itse asiassa, kuten kuviosta 2 ilmenee, lohkot 6 ja 7 sijaitsevat puolen napajaon välein eli 180 sähköasteen 15 vaihesiirrolla toisiinsa nähden. Staattorin navat muodostaviin sähkölevyihin 11 tehtyihin toisiin loveuksiin 13 on ensin loveusten pohjalle sijoitettu rengasmaiset magne-tointikäämitykset 8 ja niiden sisäkehään ulkokehältään rajoittuvat myös rengasmaiset työvirtakäämitykset 5. Kuten 20 kuviossa 1 on havainnollistettu, aiheuttaa magnetointikää- mityksessä 8 kulkeva virta vuon Φ, joka pääsee kulkemaan !!! silloin, kun staattorin napa on kohdakkain roottorissa " olevan navan kanssa. Näin on asianlaita kuviossa 1 lohko- • | jen 3 ja 6 välillä, jota on kuviossa myös merkitty merkin-

Ml* 25 nällä D-pää. Lohkojen 4 ja 7 välillä tällaista kohdakkuut- : ! ta ei esiinny ja näin ollen vuo jää koneen vastakkaisen, v ·' merkinnällä N-pää varustetun pään kohdalla varsin vähäi seksi.

Kuten edellä todettiin, kun koneen staattorissa on 30 tasavirralla ( = ) magnetoitu napakäämitys 8, joka siis muo-dostuu renkaan muotoisista käämeistä, syntyy koneeseen sen » < · pituussuunnassa navat N, S, N ja S, joista siis kaksi en-’··* simmäistä sijaitsevat lohkossa 3 ja kaksi jälkimmäistä ’· ; lohkossa 4. Magnetointi on siis sen kaltainen, että vuo- 35 viivoja Φ ei kierrä koneessa päädystä katsottaessa lain- 5 112294 kaan vaan ainoastaan pituussuunnasta katsottaessa.

Kuten edellä jo todettiin, kuvion 1 mukaisen generaattorin roottorissa lohkojen 6 ja 7 navat sijaitsevat puolen napajaon eli 180 sähköasteen vaihesiirrossa keske-5 nään, jolloin roottorissa on päädystä katsottaessa kaksinkertainen määrä napoja staattoriin nähden, mutta pituudeltaan ne ovat puolet staattorin aktiiviosan pituudesta. Joka toinen roottorin navoista sijaitsee siis koneen D-päässä ja joka toinen vastaavasti N-päässä. Roottorin pyö-10 rähtäessä puolen napajaon verran vuo siirtyy siis esimerkiksi pääasiallisesti D-päästä pääasiallisesti N-päähän johtuen siitä, että navattomalla osalla konetta on moninkertainen magneettivastus navalliseen osaan verrattuna. Koneen perustoimintaperiaatteena on, että staattorissa 15 olevaan, myös renkaanmuotoisista käämityksistä tehtyyn työvirtakäämitykseen (-) 5 indusoituu koneen pyöriessä ja vuon siirtyessä siis vuoroin D- ja N-päähän sähkömotorinen voima.

Kuviossa 3 on havainnollistettu keksinnön mukaisen 20 sähkökoneen yhden lohkon rakennetta perspektiivikuvan avulla, jolloin siitä näkyvät staattorin napojen 9 toteu- < * tus sähkölevyistä 11 muodostetun pakan muodossa samoinkuin ’ roottorin napojen 10 toteutus samoin sähkölevyistä 12 muo- j dostetun pakan muodossa. Staattorin napojen läpi kulkee I · · » · 25 sekä renkaanmuotoinen magnetointikäämitys 8 että renkaan-: *. muotoinen työvirtakäämitys 5. Tämä työvirtakäämitys ra- V ’ joittuu staattorin ja roottorin väliseen ilmaväliin, kun taas magnetointikäämitys 8 rajoittuu sisäkehältään oleel-;·: lisesti työvirtakäämityksen 5 ulkokehään. Magnetointi- ja 30 työvirtakäämitykset voisivat sijaita myös aksiaalisuunnas-sa vierekkäin eikä radiaalisuunnassa päällekkäin, kuten l · kuviossa 3 on esitetty.

Tyypillisesti suuret sähkökoneet tehdään kolmivai-; heisinä. Kuviossa 4 on esitetty kolmivaiheisen koneen kyt- • 35 kentä, jossa työvirtakäämitykset Ra, Sa ja Ta on kytketty 6 112294 tavanomaisen kolmivaihekytkennän mukaisesti tähtikytken-tään. Eri vaiheiden tasavirralla magnetoidut magnetointi-käämitykset Rm, Sm ja Tm on puolestaan kytketty kuvion 5 mukaisesti sarjaan, jolloin työvirtakäämityksen kolmivai-5 heisella virralla ja magnetointikäämityksellä ei ole induktiivista yhteyttä ainakaan perusaallolla. Jos muiden aaltojen osalta on todettavissa vaikeuksia, voidaan esimerkiksi roottoriin sijoittaa oikosuljettu käämitys, joka pyrkii pitämään vaiheiden summavuon nollana. Kolmivaihei-10 nen kone koostuu vähintäin kolmen magnetointikäämin ja kolmen työvirtakäämin muodostamasta kokonaisuudesta. Täten koneessa on siis kolme koneen aksiaalisuunnassa peräkkäistä lohkoa. Eri vaiheyksiköiden tai eri lohkojen, kuten niitä kuvioiden 1 ja 2 yhteydessä nimitettiin, staattori-15 ja roottorinavat ovat 120 sähköasteen eli 1/3 napajaon vaihesiirrossa toisiinsa nähden. Vaihesiirto voidaan toteuttaa esimerkiksi pelkästään roottorin napojen vai-hesiirron avulla, jolloin staattorin navat ovat samalla kohtaa päädystä katsottaessa samoinkuin kuvioiden 1 ja 2 20 mukaisessa rakenne-esimerkissä.

Tasavirralla magnetoitaessa aikaansaadaan edellä < · kuvatusti sykkivä tai pulssimainen vuon muutos rengasmai-seen työvirtakäämiin.

: Seuraavassa keksinnön mukaisen koneen suoritusomi- ‘ * 25 naisuuksia arvioidaan edelleen, jolloin yksinkertaisuuden i vuoksi tarkastellaan yksivaiheista mallia.

'> · Tavanomaisen sähkökoneen ilmavälivuontiheyden huippuarvo on 0,8 T. Keksinnön mukaisella rakenteella vuontiheys vaihtelee huippuarvon 1,6 T (navoissa ei ole '·. 30 hampaita) ja minimiarvon 0,4 T välillä. Vaihtelun huippu- arvo on siis (1,6 - 0,3)/2 = 0,6 T.

k »

Ankkurireaktio ilmenee puolestaan siten, että työ- > virta heikentää vuota navan toisella ja vahvistaa sitä - toisella puolella. Jos magnetoimiskäämin kokonaisvirta on ; 35 työkäämin kokonaishuippuvirran suuruinen, vaihtelee vuon- 7 112294 tiheys napojen alla siten, että vaihtovuon arvo muuttuu puoleen tyhjäkäyntiarvosta. Ilmavälin keskimääräinen vuon-tiheys tai yhtähyvin kokonaisvuo tietyllä ilmavälipinta-alalla on siis kuormitetulla koneella noin 0,5 x 0,6/0,8 = 5 0,37 kertainen tavanomaiseen koneeseen verrattuna. Tämä arvio saattaa kuitenkin osoittautua jossain määrin pessimistiseksi ja tarkemmat laskelmat voivat osoittaa ankku-rireaktion edellä laskettua olennaisesti pienemmäksi.

Sähkömotorista voimaa tarkasteltaessa voidaan esi-10 merkiksi ottaa 500 kW tuuligeneraattorikäyttö, jossa pyörimisnopeus on 30 rpm. Tavanomaisen sähkökoneen vuo leik-kaa ilmavälissä työvirtakäämin sauvoja kehänopeudella, joka vastaa taajuutta 30 rpm/60 m = 0,5 Hz. Koneen ilmavä-lihalkaisijaksi voidaan olettaa 2 m. Jos keksinnön mukai-15 sen poikittaisvuokoneen napojen ja napavälien leveydeksi valitaan 100 mm, saadaan napaluvuksi 32 ja vastaavasti vuovaihtelun taajuudeksi 32 x 0,5 = 16 Hz. Vuon ja taajuuden huomioonottaen saadaan samasta ilmavälialueesta tässä tapauksessa 0,37 x 16 = 5,9 kertainen sähkömotorinen voima 20 tavanomaiseen sähkökoneeseen verrattuna.

Edellä sähkömotorisen voiman arvoksi laskettu arvo • ' · 5,9 vastaa vuon tehollisarvon ja lausekkeen 2 x Π x kulma- ·; taajuus tuloa. Työvirtakäämin induktanssi on vuon tehol- * · • | lisarvo jaettuna työvirran tehollisarvolla, jos magneetti- IM» 25 energian vaihtelu kokonaisuudessaan on laskettava ko. in- :: duktanssiksi. Kun tämä kerrotaan työvirran tehollisarvon ,· : ja 2 x Π x kulmataajuus tulolla saadaan arvoksi edellä mainittu sähkömotorisen voiman arvo. (Tämän lisäksi vaikuttaa napojen välissä pieni hajareaktanssi, mikä tässä 30 vaiheessa oletetaan tarkastelun tarkkuuden huomioonottaen marginaaliseksi.) Edellisestä seuraa, että jos kone on kytketty tehokertoimen 1 omaavaan kuormaan, sähkömotorinen voima jakaantuu kahteen yhtäsuureen jännitteeseen, joista | toinen on kuormassa vaikuttava hyötyjännite ja toinen : 35 reaktiivinen jännitehäviö. Koska jänniteosoittimet ovat tunnetusti kohtisuorassa toisiaan vastaan, saadaan hyöty- 8 112294 jännitteeksi sähkömotorinen voima jaettuna arvolla V2. Tämä merkitsee sitä, että hyötyjännite on 5,9/1,4 = 4,2 kertainen tavanomaiseen sähkökoneeseen nähden. Tämä merkitsee toisaalta myös sitä, että konevakio on 4,2 kertai-5 nen tavanomaiseen sähkökoneeseen verrattuna. Kasvanut konevakio voidaan hyödyntää sekä konekoon olennaiseen pienentämiseen että hyötysuhteen olennaiseen kasvuun.

Keksinnön mukaisen sähkökoneen tapauksessa häviöistä kuparihäviöt ovat koneen hitaudesta johtuen täysin hal-10 litsevassa asemassa. Tavanomaisessa sähkökoneessa kupari-häviöt syntyvät sekä levypaketin että kääminpäiden osalla. Keksinnön mukaisessa magnetoidussa poikittaisvuokoneessa kääminpäitä vastaa staattorinapojen välinen kääminosa, jossa ei synny sähkömotorista voimaa. Johtuen olennaisesti 15 suuremmasta konevakiosta voidaan virrantiheyttä pienentää olennaisesti tietyllä kuparimäärällä. Koska taajuus on verrattain pieni, ei rauta- ja lisähäviöillä ole merkittävää osuutta.

Esimerkin tuulivoimageneraattorin hyötysuhde on ta-20 vanomaisen sähkökoneen tapauksessa noin 80 %. Jos keksin-, ,·, nön mukaisen rengaskäämityskoneen parempi konevakio hyö dynnetään sellaisenaan hyötysuhteeseen, saadaan arvoksi ;* 96 %.

| Keksinnön mukaisen rengaskäämityskoneen ominaisuuk- * » · * 25 sien perusteella kannattaa osakuorman tehohäviöiden pie- : nentämiseksi pienentää myös magnetointivirtaa.

v : Yllä keksinnön mukaista sähkökonetta ja sen avulla saavutettavia etuja on kuvattu vain joidenkin esimerkinomaisten suoritusmuotojen avulla ja on ymmärrettävää, että 30 edellä kuvattujen rakenneperiaatteiden avulla keksinnön mukainen sähkökone voidaan toteuttaa hyvinkin monenlaisin t mekaanisin ja sähköisin konstruktioin, jotka poikkeavat edellä kuvatuista. Tällaisetkin sähkökoneet ovat kuitenkin : oheisissa patenttivaatimuksissa määritellyn suojapiirin 35 sisällä, edellyttäen että niillä on näissä patenttivaati muksissa määritellyt tunnusmerkit.

Claims (3)

112294 9

1. Sähkökone, joka käsittää yleiseltä muodoltaan lieriömäisen staattorin (1) , joka käsittää yhden tai 5 useampia koneen aksiaalisuunnassa peräkkäin sovitettuja lohkoja (3, 4), joihin kuhunkin on sovitettu koneen aksi-aalisuuntaan nähden kohtisuoraan tasoon sovitettu rengasmainen työvirtakäämitys (5), ja staattorin sisässä koaksi-aalisesti pyörimään sovitetun roottorin (2), joka käsittää 10 koneen aksiaalisuunnassa peräkkäin sovitettuja, staattorin lohkojen (3, 4) kanssa kohdakkain sijaitsevia ja toisistaan magneettisesti erotettuja lohkoja (6, 7), jolloin kussakin kohdakkain olevassa staattori- ja roottorilohkos-sa (3, 4, 6, 7) on sama määrä napoja (9, 10) ja jolloin 15 rengasmaisen työvirtakäämityksen (5) sisäkehä oleellisesti rajoittuu staattorin (1) ja roottorin (2) väliseen ilmavä-liin, tunnettu siitä, että oleellisesti samaan, koneen aksiaalisuuntaan nähden kohtisuoraan tasoon kunkin staattorissa olevan työvirtakäämityksen (5) kanssa on so-20 vitettu rengasmainen magnetointikäämitys (8).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sähkökone, kun * · kukin staattorinapa (9) käsittää pakan koneen aksiaali-suuntaan sijoitettuja sähkölevyjä (11), joihin on muodos- ; · tettu loveus (13) työvirtakäämityksen (5) sijoittamista "*ί 25 varten, tunnettu siitä, että magnetointikäämitys (8) on sovitettu samaan loveukseen' (13) työvirtakäämityk-/; sen (5) kanssa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen sähkökone, tunnettu siitä, että magnetointikäämitys on magne- • i( 30 toitu tasavirralla ja että staattorin eri lohkojen magne- tointikäämitykset (Rm, Sm, Tm) on kytketty sarjaan keske- ·,· nään. > ! I 112294 10