FI112890B - Sähkökoneen roottorirakenne - Google Patents

Description

112890 Sähkökoneen roottorirakenne Tämän keksinnön kohteena on sähkökoneen roottorirakenne käsittäen sähkökoneen roottorirakenne käsittäen akselin ja sen päälle rengas-5 maisista levyistä ladotun levypaketin, jonka kaikilla levyillä on saman suuntainen yleisesti katkokartiomainen muoto ja jossa levyjen väliin on sovitettu ainakin yksi välirengas, jonka ulkonema akselilta on oleellisesti pienempi kuin rengasmaisten levyjen ulkonema.

Oheisen piirustuksen kuviossa 1 on esitetty sähkökoneen tavan-10 omainen roottorirakenne, jonka muodostavat akseli 1, sen päälle suorista, oleellisesti rengasmaisista levyistä 3 ladottu levypaketti 2, levypaketin päitä puristamaan sovitetut puristusrenkaat 6 ja oikosulkukoneen tapauksessa roottorisauvat 4 ja niihin kytketyt oikosulkurenkaat 5. Roottorisauvat on tällöin sovitettu levypaketin levyjen kehälle meistettyihin uriin. Käytännön kokemusten 15 perusteella on osoittautunut, että vaikka moottorin levypaketti käämityksineen tehdään mahdollisimman homogeeniseksi ja symmetriseksi, varsinkin nopeasti pyörivillä kaksinapaisilla koneilla tasapainotilan muuttuminen lämpötilaerojen vaikutuksesta aiheuttaa tärinäongelmia valmiilla koneella.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on tuoda esiin roottorirakenne, 20 jota käytettäessä tärinäongelmat ovat olennaisesti vähäisempiä kuin mitä saattaa esiintyä tavanomaista roottorirakennetta käytettäessä. Kokemuksen I t « /’ ‘ perusteella on todettu, että pyrittäessä antamaan levypaketin lähtökohtaisesti • I · ‘ ; *· suorille levyille katkokartiomainen muoto kaikki levyt eivät ilman muuta : '· lommahda aksiaalisesti samaan suuntaan. Siinä tapauksessa rakenteen 25 stabiilisuus menetetään ja moottorissa voi ilmetä tärinätason jopa vaarallisiin :· mittoihin ulottuvaa kasvua. Sen asian varmistamiseksi, että kaikissa tapauksissa päästään tässä suhteessa hyvään lopputulokseen, on keksinnön mukaiselle roottorirakenteelle tunnusomaista, että levypaketti käsittää sopivin välein, edullisesti tasavälein, useita välirenkaita, jotta sallitaan levypaketin levyjen ottaa 30 yleisesti katkokartiomainen muoto.

i Keksinnön toiminta perustuu siihen, että levyt, kun ne sovitetaan : tiukan sovitteen avulla akselille, pyrkivät luonnostaan asettumaan katkokar- : tiomaiseen muotoon, jos se vain on mahdollista. Välirenkaat tekevät tämän . mahdolliseksi antaessaan tarvittavan tilan levyjen lommahtamiselle.

2 112890

Tiukan (lähelle myötörajaa vedetyn) sovitteen tapauksessa on osoittautunut, että kartiokulma levyn päästessä vapaasti lommahtamaan on ulkokehällä noin 4° ja akselin lähellä noin 12°.

Seuraavassa keksinnön mukaista sähkökoneen roottorirakennetta ja 5 sen toimintaa kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää tavanomaisen sähkökoneen roottorirakennetta, kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen roottorirakenteen ensimmäisen suoritusmuodon esimerkinomaista toteutusta, ja 10 kuvio 3 esittää keksinnön mukaiseen roottorirakenteeseen sisältyvän yhden rengasmaisen levyn esimerkinomaisen muodon.

Keksinnön mukaisen roottorirakenteen lähtökohtana on ajatus, että tavanomaisilla kuviossa 1 esitetyn kaltaisilla roottorirakenteilla esiintyvät tärinä-ongelmat eivät niinkään aiheudu roottorirakenteen epähomogeenisuudesta tai 15 epäsymmetrisyydestä vaan siitä, että pääasiallisin syy tasapainotilan muuttumiselle on kutistusvoiman avulla akselille sovitetun levypaketin vaikutus akselin pinnalla. Kun levypaketin levyihin meistetään reiät akselia 1 varten, on näillä meistetyillä reunoilla viisteenomainen profiili. Tämä profiili on siis epäsymmetrinen ja sisältää jäysteen levyn takapinnalla meistosuunnasta 20 katsottuna. Tämän viisteenomaisen profiilin johdosta kutistusvoima, jonka avulla levypaketin levyt liitetään akselille 1, kohdistuu akseliin epäsymmetrisesti, jolloin • · » levy pyrkii kallistumaan väljemmän puolen suuntaan ja asettumaan lautasta • · * ;··’ : muistuttavaan yleisesti likimain kartiomaiseen muotoon. Levypaketissa osa : '· levyistä, esimerkiksi liki puolet niistä voisivat kuitenkin ilman keksinnön mukai- t I · :: 25 seen roottorilevypakettiin sisältyviä välirenkaita tulla pakotetuiksi lommahtamaan haluttuun suuntaan nähden vastakkaiseen suuntaan. Tavanomaisessa kuvion 1 :T: mukaisessa roottorirakenteessa levyt 6 kuitenkin pakotetaan kohtisuoraan akseliin 1 nähden. Tästä seuraa, että levyjen pintapaine akselia vastaan on indifferentti, mikä voi muuttaa erittäin merkittävästi tasapainotilaa roottorin , ’ '. 30 muissa osissa tapahtuvien pienten jännitystilamuutosten takia, joita syntyy mm.

; juuri lämpötilaerojen vaikutuksesta. Sekä kuvion 1 mukaisessa perinteisessä : rakenteessa että kahteen suuntaan lommahtaneiden levyjen tapauksessa on esiintynyt samantyyppisiä ja -suuruisia tasapaino- ja tärinäongelmia. Kyseisen ilmiön merkittävyyttä kuvaa se, että joissakin testeissä moottorin lämmetessä : 35 värähtelyn on havaittu muuttuvan lähellä hyväksyttävää olevasta arvosta » yhfäkkiä yli kolminkertaiseksi.

3 112890

Keksinnön mukaisen roottorirakenteen perusideana on, että levyjen annetaan tiukan krympin tapauksessa asettautua jännitysten kannalta stabiiliin asentoon eli katkokartion muotoon tai väljän krympin tapauksessa levyt pakotetaan jännitysten kannalta stabiiliin kartiomuotoon. Tällainen ratkaisu, jossa 5 stabiilin rakenteen saavuttamiseksi on apuna käytetty välirenkaita, on esitetty oheisen piirustuksen kuviossa 2. Siinä on levypaketin päissä käytetty puristus-renkaita 6A ja 6B, jotka noudattavat levyjen lommahdukselle ominaista kartio-muotoa.

Karkeasti ottaen roottorilevypaketin levyt voidaan latoa kolmella eri 10 tavalla. Ensimmäisessä tavassa levyt ladotaan ilman esilämmitystä suoraan akselille. Tällöin sovite on sen verran väljä, että roottoripaketin pyöriminen akseliin nähden on varmistettu kiilalla. On osoittautunut, että levypaketteja, joiden pituus kysymykseen tulevalla konealueella ulottuu noin 1 m asti, ei käytännön puristimilla, joiden puristusvoima on noin 2000 kN, voida pakottaa 15 kartiomuotoon. Tiukan sovitteen tapauksessa levypaketti ladotaan apuakselille, lämmitetään yli 200 °C ja asetetaan moottorin akselille. Tiukan sovitteen tapaukselle on ominaista, että levyt pyrkivät - voitaisiin ehkä ilmaista - väkisin lommahtamaan kartiomuotoon. Niinpä on edullista, että paksuja päätypuris-tusrenkaita käytettäessä ainoastaan akseliolakkeen puoleinen puristusrengas 20 asetetaan yhdessä levypaketin kanssa akselille kun taas vastakkaisen pään puristusrengas lämmitetään ja asetetaan akselille jälkikäteen. Tällä menettelyllä ' ‘ saadaan kaksi etua. Ensinnäkin, jos vastakkaisen pään puristusrengas : : asetettaisiin akselille yhdessä levypaketin kanssa, se voisi krymppääntyä ’·· akselille ennen levypaketin lommahtamista, jolloin puristusrenkaan ja levypake- 25 tin väliin jäisi rako. Toisena etuna on, että ennen toisen pään puristusrenkaan ;j* paikoilleen asetusta on helppo varmistaa kummankin pään levyjen lommahta- neen samaan suuntaan. Näille kahdelle tavalle löytyy välimuotoja, joissa krymppi on jossain määrin tiukka (lämmitys esimerkiksi lämpötilaan noin 100° . ·. C). Tällaisiin tapauksiin voidaan myös soveltaa edellämainittuja periaatteita.

30 Kuvion 2 mukaisessa roottorissa levyjen 3 väliin on sovitettu •' välirenkaita 7, jotka mahdollistavat levyjen 3 kuppimaisen tai katkokartiomaisen muodon. Kuviossa 3 on esitetty yksityiskohtaisemmin levyn 3 muoto, kun se on lommahtanut katkokartiomaiseen muotoon. Tiukan sovitteen tapauksessa, jolloin levyn jännite on viety lähelle myötörajaa, levyn kartiokulma ä lähellä : 35 akselia 1 on noin 12° ja kartiokulma β levyn ulkokehällä on noin 4°. Kartiokul- man muutos ei käytännössä välttämättä kuitenkaan tapahdu kuviossa kuvatulla , 112890 4 tavalla äkkinäisesti vaan vähitellen. Mahdollisesti juuri tästä levyn kuppimaisesta muodosta johtuen yhtenäisen siis välirenkaattoman katkokartiomaisia levyjä käsittävän roottorilevypaketin aikaansaanti on ongelmallista. Kuten kuviosta 3 voidaan havaita, kun otetaan huomioon, että levyn 3 vahvuus on esimerkiksi 5 noin 0,5 mm, ovat levyn 3 kuperan ja koveran pinnan kaarevuussäteet juuri tämän levyn vahvuuden verran erilaiset. Levypaketissa tästä kaarevuussäteen erilaisuudesta seuraa, että levyt, jos ne pakotetaan tiiviisti toisiaan vasten, pyrkivät oikenemaan kuviossa 3 kuvatusta levystä kuperalle puolelle päin siirryttäessä. Kun valmistettiin roottoripaketteja ilman päädyissä olevia paksuja 10 puristusrenkaita, havaittiin, että levyt lommahtivat levypaketin vastakkaisissa päissä eri suuntiin eli olivat molemmissa päissä kuperia. Suunnanvaihto tapahtui levypaketin keskikohdalla, mikä voitiin selvästi havaita sillä kohdalla olleesta lähes 1 cm mittaisesta aksiaalisesta raosta. Tällainen lommahdussuunnan vaihtuminen ja erityisesti levypaketin keskialueen lähinnä radiaali- eikä kartio-15 muotoiset levyt, jotka indifferentin asentonsa johdosta voivat lommahdella eri suuntiin, johtavat roottoriin, jossa lämpötilaerojen ja keskipakovoiman vaikutuksesta voi esiintyä sekä hitaita että äkkinäisiä muutoksia tasapainotilassa ja vastaavasti tärinätasossa.

Tämän ongelman välttämiseksi kuviossa 2 esitetyssä roottorissa 20 käytetään välirenkaita 7, jotka sopivin välein, luonnollisesti edullisimmin tasavälein sijoitettuina sallivat levyjen 3 lommahtamisen roottoripaketin koko pituudelta samaan suuntaan. Nämä välirenkaat, joiden vahvuus ja materiaali voivat vastata levyjen 3 vahvuutta ja materiaalia, ovat varsin kapeita siten, että niiden ulkonema akselilta 1 on oleellisesti pienempi kuin levyjen 3 ulkonema. Renkai-25 den 7 ulkonema on tyypillisesti korkeintaan 20% levyjen 3 ulkonemasta.

·’ Käytännön esimerkkinä voidaan antaa roottori, jossa akselin 1 halkaisija on 240 mm, levyjen 3 halkaisija on 480 mm ja renkaiden 7 ulkonema akselilta 1 eli renkaiden leveys on 10 mm. Käytännössä voidaan ajatella, että renkaiden 7 tulee olla mahdollisimman kapeita, mutta kuitenkin vielä mielekkäästi käsiteltä-, * . 30 vissä roottoripakettia ladottaessa.

- Käytettäessä kuvion 2 mukaista ratkaisua, jossa levypaketin 2 levyt : ‘ 3 pakotetaan katkokartiomaiseen muotoon, ne voidaan pakottaa tähän muotoon ‘ · joko siinä suunnassa, johon ne luontaisesti asettuisivat keskireikänsä reunan ; viisteenomaisen profiilin johdosta tai tähän nähden vastakkaiseen suuntaan.

35 Käytännössä on edullisinta antaa levyjen kaatua siihen suuntaan, johon ne luonnostaan pyrkivät lommahtamaan. Levypaketti voidaan sitoa joko päätypu- 5 112890 ristusrenkailla tai ilman niitä, koska nykyisin levypaketti joka tapauksessa sidotaan myös joko hartsilla tai tuukkaamalla roottorisauvat. Päätypu-ristusrenkaita voidaan myös - riippuen valmistustekniikasta - tarvita roottorisau-voja uriin asennettaessa ja roottorin pintaa sorvattaessa staattorin ja roottorin 5 välisen ilmaraon aikaansaamiseksi.

Keksinnön mukaisessa roottorirakenteessa jännitysten stabilointi aikaansaadaan levypaketin sovituksella kartiomaiseksi. Levypaketin jännitysten stabilointiin on esitetty myös muita tunnettuja ratkaisuja. Yksi näistä on levyjen sisäreiän koneistaminen, jolloin pintapaine on symmetrinen ja vähentää levyn 10 painetta muuttua kartiomaiseksi. Tässäkin tapauksessa kartiorakenteella saadaan edelleen parannettua stabiilisuutta, joskin koneistus tällöin on sinänsä tarpeeton. Toinen mahdollisuus symmetrointiin on latoa levyt yksitellen tai säännöllisissä ryhmissä siten, että niiden jäysteet ovat vastakkaisilla pinnoilla. Tämä tekotapa kasvattaa roottorissa syntyviä lisähäviöitä. Molemmat mainitut 15 menetelmät ovat lisäksi valmistuskustannusten kannalta epäedullisempia kuin keksinnön mukainen rakenne.

Yllä keksinnön mukaista sähkökoneen roottorirakennetta on kuvattu yhden esimerkinomaisen suoritusmuodon avulla ja on ymmärrettävää, että siihen voidaan tehdä joitakin rakenteellisia muutoksia poikkeamatta kuitenkaan 20 oheisten patenttivaatimusten määrittelemästä suojapiiristä.

Claims (3)

112890 6

1. Sähkökoneen roottorirakenne käsittäen akselin (1) ja sen päälle rengasmaisista levyistä (3) ladotun levypaketin (2), jonka kaikilla levyillä (3) on 5 saman suuntainen yleisesti katkokartiomainen muoto ja jossa levyjen (3) väliin on sovitettu ainakin yksi välirengas (7), jonka ulkonema akselilta (1) on oleellisesti pienempi kuin rengasmaisten levyjen (3) ulkonema, tunnettu siitä, että levypaketti käsittää sopivin välein, edullisesti tasavälein, useita välirenkaita (7), jotta sallitaan levypaketin levyjen (3) ottaa yleisesti katkokartiomainen muoto.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sähkökone, tunnettu siitä, että rengasmaiset levyt on kuumennettu ainakin 100 °C lämpötilaan ennen akselille sovittamista ainakin jossain määrin tiukan ja levyjen lommahtamista yleisesti katkokartiomaisen muotoon edistävän sovitteen aikaansaamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen roottorirakenne, tunnettu 15 siitä, että välirenkaiden (7) ulkonema akselilta (1) on alle 20% levypaketin (2) levyjen (3) ulkonemasta. » ► » » 7 112890