FI113422B - Sähkömoottori ja menetelmä sähkömoottorissa sekä niiden käyttö - Google Patents

Description

, 113422 Sähkömoottori ja menetelmä sähkömoottorissa sekä niiden käyttö Elmotor och förfarande i en elmotor samt användningen av desamma

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaiseen epätahtimoot-torirakenteeseen, ja erityisesti moottoriin, joka käsittää massiiviroottorivälineen.

Keksintö kohdistuu myös patenttivaatimuksen 11 johdannon mukaiseen menetelmään massiiviiviroottorivälineellä varustetun epätahtimoottorin parantamiseksi.

Keksintö kohdistuu lisäksi keksinnön mukaisen moottorivälineen ja menetelmän erääseen edullisena pidettyyn käyttöön.

Epätahtikoneperiaatteella toimivat sähkömoottorit ovat tavallisesti olleet koneita, joissa on hyödynnetty ns. levyroottoreita. Ongelmana ovat olleet roottoriraken-teesta, erityisesti sen huonosta taivutus- ja osin myös huonosta vääntöjäykkyy-destä aiheutuvat, jo kohtuullisilla pyörimisnopeuksilla esiintyvät värähtelyt. Levyroottorin ns. kriittisen taajuus kohdataan olennaisen alhaisilla pyörimisnopeuksilla, jotka ovat liian alhaisia erityisesti normaalista kohotettuja pyörmis-nopeuksia silmälläpitäen. Levyroottorirakenteen valmistus vaatii myös lukuisia työnvaiheita sekä erikoistyökaluja ja -koneita, ollen täten hidas ja kallis suorittaa.

: .· Suurella nopeudella pyörivissä sähkömoottoreissa onkin ollut tunnettua käyttää yhtenäisestä aihiosta esim. sorvaamalla valmistettuja ns. massiiviroottoreita, joilla saavutetaan levyroottoria huomattavasti tukevampi ja jäykempi rakenne. Tällöin roottorin resistanssi kuitenkin kasvaa ja koneen tehokerroin heikkenee oleellisesti olleen tyypillisesti luokkaa 0.6 - 0.7. Tällaisen roottorin hyötysuhde on myös heikko. Yhdestä kappaleesta valmistettuja, ulkokehältään useimmiten sileitä massiiviroottoreita on kuitenkin yleisesti käytetty oikosulkumoottoreissa, joissa pyörimisnopeusalue on olennaisesti tavanomaisia moottoreita korkeampi, jopa 200 000 1/min saakka. Ongelmana on kuitenkin näissäkin ollut em. huono ; hyötysuhde ja ylikuumeneminen, silloinkin kun halutaan pienempiä eli ns. ta- : vanomaisia pyörimisnopeuksia, kuten nopeuksia alle 20 000 1/min.

···. Eräs esimerkki parannetusta massiiviroottorisovellutuksesta on esitetty GB-patentissa nro 1 427 818. Sen mukainen roottoriväline käsittää sylinterimäisen, ...: vähähiilistä rautaa olevan roottoriakselin, jonka yhteyteen on aikaansaatu ns.

2 113422 kuparihäkkikäämi roottoriresistanssin pienentämiseksi. Esitetyn häkkikäämin aksiaalisesti ulottuvat osuudet eli kupariset roottorisauvat ovat olennaisesti puolipallon muotoisia siten, että niiden levein osuus on roottorin kehäpinnan tasossa kaarevan puolipallon muotoisen kehäpinnan ollessa asetettuna vastaavan muotoiseen uraan roottorissa.

Vaikka ratkaisulla onkin saavutettu etua roottorin jäykkyydessä ja resistanssin pienemisessä, on sen ongelmana kuitenkin edelleen ollut huono hyötysuhde. Häviöt johtavat huonon hyötysuhteen ohella merkittävään käytön aikaiseen ylikuumenemiseen. Kuumenenisongelmaa on pyritty ratkomaan erilaisin jääh-dytysjärjestelyin, joidenka vaatima teho on edelleen huonontanut hyötysuhdetta. Lisäksi esitetyn kaltaisessa ratkaisussa käytetään erityisen pientä ilmaväliä (rivit 81-82 s. 1), mikä aiheuttaa merkittäviä lisähäviöitä. Merkittävänä valmistusteknisenä ongelmana on ollut häkkikäämin aksiaalisuuntaisten, olennaisen leveiden puolipallon muotoisten kupariosuuksien kiinnityksen vaikeus ja pysyvyys roottorissa, erityisesti korkeammilla pyörimisnopeuksilla. Viitejulkaisussa ei myöskään ole mitään esitystä tai ehdotusta siitä, kuinka siinä esitetyn kaltaista roottoriväli-nettä voitaisiin hyödyttää muissa kuin suurnopeusmoottoreissa. Esitetyn kaltainen ratkaisu ei olekaan mm. em. syistä yleistynyt sähkömoottoreissa.

: Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan epäkohdat ja saada aikaan aivan uudenlainen sähkömoottorirakenne, joka käsittää muotoillut . . : staattorivälineet sekä massiiviroottorivälineen, joka on varustettu uudella tavalla , , : aikaansaadulla häkkikäämivälineellä. Keksinnön mukaisen ratkaisun avulla aikaansaadaan epätahtisähkömoottorirakenne, jonka hyötysuhde ja ominaisuudet » · # ;;; ovat olennaisesti tunnettuja ratkaisuja paremmat, ja jossa ratkaisussa ei esiinny tunnettujen moottorien kaltaisia merkittäviä ylikuumenemisongelmia.

Keksinnön tavoitteena on lisäksi saada aikaan rakenne ja menetelmä laajalla ’ pyörimisnopeusalueella käytettävissä olevan moottorivälineen aikaansaamiseksi.

I « ···. Keksinnön eräänä tavoitteena on saada aikaan massiiviroottorinen moottori- rakenne, jonka kentänheikennyspiste on oleellisen alhainen. Tällöin on mm. mahdollista kuormittaa konetta vakioteholla olennaisen laajalla pyörmisnopeus-• alueella.

Keksinnön tavoitteena on lisäksi saada aikaan moottorin roottoriväline, joka roottoriväline on helppo valmistaa ja jota hyödyntävä menetelmä on täten helppo 3 113422 ja edullinen toteuttaa.

Keksinnön eräänä lisätavoitteena on saada aikaan roottoriväline, jonka roottori-resistanssi on olennaisen pieni.

Keksinnön eräänä lisätavoitteena on saada aikaan moottorirakenne, jonka pyörimisnopeus ei olennaisesti laske kuormituksen äkillisen lisäyksen seurauksena.

Keksinnön eräänä lisätavoitteena on saada aikaan roottoriväline, joka olennaisesti estää tangentiaalisten virtojen syntymistä.

Keksinnön eräänä lisätavoitteena on moottorirakenne, jonka vuojakauma on olennaisen sinimuotoinen.

Keksinnön tavoitteena on lisäksi saada aikaan massiiviroottorin käsittävä moottorirakenne, jossa voidaan käyttää haitatta olennaisen pientä ilmaväliä, jolloin tehokerrointa saadaan kasvatettua.

Keksinnön eräänä tavoitteena on moottorirakenne, jonka koko ja paino ovat : vastaavantehoisia tunnettuja epätahtimoottoriratkaisuja pienemmät.

: Keksinnön vielä eräänä tavoitteena on saada aikaan ratkaisu, jossa pyöritettävä /·, : kohde, kuten esimerkiksi puhallin, työkalu, kuten työstötyökalu, pumppu jne.

saadaan sovitetuksi suoraan roottoriakselille tai sen jatkeelle.

Keksinnön vielä eräänä tavoitteena on moottoriratkaisu, jota voidaan käyttää robotin tai vastaavan kolmiakselisia liikkeitä suorittavan työstölaitteen kara- * : i.: moottorina.

: Keksintö perustuu siihen yllättävään havaintoon, että aikaisemmin tunnettuja vt· · massiiviroottorisia moottoreita paremmat ominaisuudet voidaan saavuttaa [ · aikaansaamalla massiiviroottoriväline ja sen kanssa yhteistoiminnalliset staattori-välineet, jossa yhdistelmässä käytetään roottorivälinettä, jonka uramuoto on * V olennaisen kapea ja syvä sekä siihen sovitettua häkkivälinettä saadaan aikaiseksi moottorirakenne, jossa ilmavälin permeanssiharmonisten vaikutus vähenee olennaisesti tunnettuihin ratkaisuihin verrattuna, mikä on erityisen toivottavaa roottorin ollessa massiivinen.

4 113422 Täsmällisemmin esitettynä keksinnön mukaiselle rakenteelle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa 1...10 ja erityisesti itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa 11...13 ja erityisesti patenttivaatimuksen 11 tunnusmerkkiosassa. Erään edullisena pidetylle keksinnön mukaiselle käytölle on pääasiassa tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa 14 ja 15 ja erityisesti patenttivaatimuksen 14 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisesti laite käsittää olennaisen jäykän, yhdestä kappaleesta aikaansaadun massiiviroottorivälineen, jonka kehäpinnan yhteyteen on sopivasti aikaansaatu häkkikäämivälineet, jotka edullisesti ovat kuparia tai vastaavaa hyvin sähköäjohtavaa materiaalia, kuten alumiinia, messinkiä tms. sinänsä tunnettua materiaalia. Mainittujen häkkikäämivälineiden olennaisen aksiaalisuuntaisesti ulottuvan osuuden eli ns. roottorisauvan muoto on aikaansaatu olennaisen syväksi suhteessa sen leveyteen, millä tavoin ilmavälin permeanssiharmonisten vaikutus staattorivälineisiin pienenee olennaisesti. Tällöin voidaan haitatta käyttää tunnettua tekniikkaa pienempää ilmaväliä.

Erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti myös häkkikäämivälineen pääty- eli oikosulkurengas on olennaisen syvä (korkea), millä tavoin saadaan etua edelleen pienentyneen roottoriresistanssin muodossa.

. Staattorivälineet ovat edullisesti muodostetut useista rinnakkaisista staattori-levyistä, joidenka välillä on sopiva eristys. Niiden roottorivälineen vastaanot-• tavassa keskiöaukossa olevat staattoriurat ovat sopivasti muotoillut siten, että : ne edullisesti muodostavat uran kummallakin sivulla roottorivälinettä kohden ulottuvan staattorihampaan.

Erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti roottoriväline aikaansaadaan siten, että sen runko-osan kehämuoto koneistetaan sorvaamalla sopivasta teräsai-hiosta, sekä sen jälkeen siihen aikaansaadaan esim. jyrsimällä tai lasertyöstöllä ,·;· haluttu määrä olennaisen aksiaalisuuntaisia, olennaisen kapeita ja syviä uria.

Uriin asetettu häkkikäämiväline liitetään runkomateriaaliin edullisesti elektronisuihkuhitsauksella (EB-hitsaus) tai laserhitsauksella.

Erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti uraan asetettu materiaali liitetään, esim. hitsataan, roottorimateriaaliin ainoastaan toiselta sivultaan. Vielä erään 5 113422 vaihtoehdon mukaisesti mainitun kiinnittämättömän sivun ja roottorimateriaalin väliin jätetään sopiva ilmarako. Erään erityisesti valmistusteknisesti edullisen muodon mukaisesti roottorivälineen uraan asetetaan ns. kaksoismetallilevyä, esim. FeCu-levyä, joka hitsataan tai muutoin liitetään kiinni roottorivälineeseen ainoastaan teräksen puolelta,

Keksinnön mukaisesti epätahtisähkömoottorin ominaisuuksia parannetaan menetelmällä, jossa staattorivälineiden sisälle pyöritettävästi asennetun massii-viroottorivälineen resistiivisyyttä pienennetään roottorivälineeseen aikaansaadun häkkikäämivälineen avulla. Roottorivälineen permeanssiharmonisten vaikutusta pienennetään aikaansaamalla roottorivälineeseen sovitettujen häkkikäämivälinei-den olennaisen aksiaalisesti ulottuvat roottorisauva-osuudet lukumäärältään ja muodoltaan sellaisiksi, että ilmavälivuon jakauma muistuttaa olennaisesti sinimuodon kaltaista tiheäaskelista porraskäyrää. Ilmavälivuota ohjataan edelleen edullisesti staattorivälineiden uravälineisiin aikaansaadun, sopivasti muotoillun hammasmaisen staattoriuramuodon avulla.

Keksintöä on edullista soveltaa laajan vakiotehoalueensa johdosta esim. työstö-konekäytössä pyörivien työkalujen pyörityksessä. Erään täsmällisemmän sovellutuksen mukaisesti keksinnön mukaista moottorirakennetta hyödynnetään : kolmiakselisessa avaruudessa liikutettavan työstökoneen, kuten robotin kara- ; .>t moottorina.

, , · Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Massiiviroottorisen moottorin .‘ hyötysuhde paranee olennaisesti tunnettuihin ratkaisuihin verrattuna samalla, ;; kun ongelma moottorin kuumenemisen suhteen pienenee merkittävästi. Keksin nön avulla moottorin koko ja paino pienenevät verrattuna suorituskyvyltään vastaaviin tunnettuihin moottoreihin. Keksinnön mukainen moottori antaa olennaisen tasaisen maksimitehon olennaisen leveällä pyörimisnopeusalueella, ,·' : kuten esimerkiksi alueella 6 000 - 30 000 1/min tai 1 000 - 5 000 1/min, ts.

.·. minimi/maksiminopeussuhdealueella n. 1/5 tai esim. 1/8. Lisäksi keksinnön mukaisen moottorirakenteen pyörimisnopeus alenee olennaisen vähän kuormituksen lisääntyessä äkillisesti, mistä on mm. seurauksena tunnettuja ratkaisuja ,..· vähäisempi tarve pyörimisnopeuden anturoinnille ja ohjaukselle. Moottorissa ei : myöskään esiinny olennaisen suurta jättämää. Keksinnön mukainen moottori- rakenne ja menetelmä ovat hyvien ominaisuuksiensa, kuten pienen koon ja painon sekä laajan pyörimisnopeusalueen ja tasaisen tehokäyrän ansiosta sovellettavissa mitä moninaisimmissa kohteissa, sillä sama moottori on sovellettavissa 6 113422 useisiin erilaisiin käyttötarkoituksiin. Keksinnön mukaisen moottorivälineen valmistus on tunnettuja ratkaisuja helpompi suorittaa, mutta silti saavutetaan niitä kestävämpi ja mm. roottorisauvojen pysyvyyden suhteen luotettavampi rakenne.

Keksintöä ja sen muita kohteita ja etuja kuvataan seuraavassa esimerkinomaisesti viittaamalla samalla oheiseen piirustukseen, jossa vastaavat viitenumerot eri kuvioissa viittaavat vastaaviin piirteisiin. Tässä kohden tulee ymmärtää, että seuraavan esimerkinomaisen esityksen tarkoitus ei ole rajoittaa keksintöä tässä yhteydessä esitettyihin tiettyihin muotoihin, vaan päinvastoin keksinnön on tarkoitettu kattavan kaikki muunnokset, vastaavuudet ja vaihtoehdot, jotka sisältyvät keksinnön henkeen ja piiriin, kuten oheisissa patenttivaatimuksissa on määritetty. Tässä yhteydessä huomautetaan lisäksi, että termillä staattorivälineet tarkoitetaan kaikkia sellaisia staattoriratkaisuja, joihinka on mahdollista aikaansaada keksinnön erään muodon mukainen stattoriuran muotoilu. Lisäksi termillä roottorisauva tarkoitetaan seuraavassa häkkikäämivälineen olennaisen aksiaali-suuntaisesti, oikosulkurengasvälineiden välillä ulottuvaa osuutta.

Kuviot 1a ja 1b esittävät yksinkertaistettuna kaaviomaisena sivu- ja leikkaus-kuvantona erästä esillä olevan keksinnön mukaisen moottorirakenteen roottori-välinettä.

; ,t Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen stattorilevyvälineen.

1 1 » , · Kuviot 3a, 3b ja 3c ovat tunnettuun tekniikkaan ja keksinnön mukaisen moottori-* · rakenteen staattorivälineisiin liittyviä kaaviomaisia esityksiä.

Kuviot 4a, 4b ja 4c esittävät kaaviomaisena kuvantona keksinnön eräitä lisä-suoritusmuotoja.

Kuviot 5a ja 5b esittävät erään keksinnön mukaisen koejärjestelyn, kuvioiden 5c ja 5d ollessa taulukkomaisia esityksiä saavutetuista testituloksista.

,Y Kuvio 6 esittää vielä erään roottorivälineen suoritusmuodon.

I ·

Kuvio 7 esittää kaaviokuvantoa keksinnön erästä edullista käyttösovellutusta.

;·*: Kuviossa 1a esitetään yksi keksinnön mukaisen epätahtisähkömoottorirakenteen 7 113422 yhtenäisestä teräsaihiosta aikaansaatu massiiviroottoriväline 10. Sen poikkileikkaus linjaa A - A pitkin on esitetty kuviossa 1b. Kuten kuvioista voidaan havaita, on roottorivälineen 10 ulkokehälle 12 saatu aikaiseksi uritus, johonka on asetettu edullisesti kuparimateriaalia oleva häkkikäämiväline 16. Häkkikäämivälineen 16 olennaisen aksiaalisesti ulottuvat osuudet eli roottorisauvat 15 vastaanottavien roottorin urien 14 muoto on aikaansaatu olennaisen syväksi suhteessa niiden leveyteen. Erityisen edullisena roottorisauvan leveys/syvyys suhteena pidetään arvoja alueella 1/3 - 1/10. On huomattava, että vaikka kuvioiden esityksessä sauvat ovat aina poikkileikkaukseltaan olennaisen suorakaiteen muotoisia, voivat ne tarvittaessa myös poiketa siitä, ollen esim. kiilamaisia, kolmiomaisia tai osalta pinnoistaan tynnyrimäisiä tai koveria ilman että keksinnön yleisestä ajatuksesta poikettaisiin.

Keksinnön mukaisesti olennaisen kapeita roottorisauvoja 15 on sijoitettu olennaisen tiheään roottorin kehälle 12. Kuvioiden 1a ja 1b esimerkissä uria on 28 kappaletta, uran 14 syvyyden ollessa n. 10 mm ja leveyden n. 3 mm. Fe 52 rakenneteräksestä valmistetun testiroottorin pituus oli n. 160 mm ja halkaisija n.

87.5 mm.

Lisäksi kuviossa 1b esitetään häkkikäämivälineen 16 päätyyn sijoitetut kupariset oikosulkurenkaat 18, jotka olivat n. 30 mm syviä (korkeita).

: Kuvioiden 1a ja b mukaisessa testiroottorissa 10 käytettiin elektronisuihkuhit- ,·, · sauksella roottoriin liitettyä kuparista häkkikäämivälinettä 16. Vaihtoehtoisesti ’ ·* olisi voitu käyttää esim. alumiinista häkkikäämivälinettä, millä olisi voitu pudot- taa mm. roottoriin vaikuttavien keskipakoisvoimien vaikutuksia alumiinin kevyemmän ominaispainon ansiosta. Roottorisauvat 15 aikaansaavat hyvän aksiaalisen sähkönjohtavuuden, joten moottorirakenne antaa tältä osin korkean vääntömomentin minimaalisella jättämällä. Näinollen moottorihäviöt pienenevät v ; edelleen, erityisesti suurilla tehoilla.

* *

Lisäksi kuvion 1b mukaisen roottorin olennaisen aksiaalisesti ulottuvia tankoja i · ·* 15 on lievästi kierretty spiraalimaiseen muotoon, ts. kulmaan aksiaalisuunnan ' kanssa, siten, että jokaisen käämitangon 15 toinen pää on siirretty yhden uravä- : Iin verran sivuun. Tämä on kuitenkin vain eräs lisäsuoritusmuoto, eikä missään tapauksessa ole keksinnön suorittamisen kannalta välttämätöntä.

Kuviossa 1b esitetyn kaltaisella edullisena pidetyllä uramuodolla varustettu 113422 s roottoriväline 10 ei olennaisesti lämmitä staattorivälineitä, sillä olennaisen kapeisiin roottoriuriin aikaansaadun häkkikäämin 16 permeanssiharmonisten vaikutus staattorivälineiden 20 uriin 21, tai esim. kuvion 2c suoritusmuodon mukaisiin hampaisiin 22, on olennaisen pieni verrattuna tunnettuun, olennaisen leveitä roottorisauvoja tai -tankoja käyttävään tekniikkaan. Tämä on seurausta mm. siitä, että tunnetussa tekniikassa esiintyvät olennaisen voimakkaat perme-anssiharmoniset aiheuttaisivat rautahäviötä kuviossa 2c esitetyn kaltaisesti muotoilluissa staattorihampaissa 22. Häviöt voidaan kuitenkin minimoida keksinnön kaltaisella roottorirakenteella.

Olennaisen kapeilla roottoriurilla saavutetaan etua myös ilmavälivuon jakaumassa. Ideaalijakamauma olisi täysin sinimuotoinen, mutta sitä ei ole tunnetuilla häkkikäämiratkaisuilla voitu saavuttaa. Käytettäessä lukuisia, olennaisen tiheään sijoitettuja ja tangentiaalisessa suunnassa olennaisen kapeita uria saavutetaan kuitenkin tilanne, jossa vuon porraskäyrämäisessä jakaumassa on hyvin paljon oleellisen pieniä askelmia, jolloinka porraskäyrän muoto saadaan hyvin lähelle ideaalisena pidettyä sinimuotoa.

Kuviossa 2 esitetään edullisena pidetty staattorilevyn 20 muoto, josta nähdään stattoriuravälineet 21 sekä muotoilut 22. Tässä yhteydessä huomautetaan, että vaikkei sitä ole esitettykään, ymmärtää alan ammattimies, että keksinnön mukainen moottorirakenne muodostuu yhdistelmästä, jossa esim. kuviossa 2 , : esitetyn staattorilevyvälineen 20 aukkoon 24 on asetettu kuvioissa 1a ja b > ; esitetty roottoriväline 10. Lisäksi on selvää, että moottorirakenne voidaan tarvit- taessa varustaa sopivilla jäähdytysvälineillä, kuten ilma- tai nestejäähdytyksessä t · tarvittavilla kanava- ja johdinlaitteistoilla.

» ·

Kuvio 3a on suurennettu osakuvanto tunnetun tekniikan mukaisesta uramuo-dosta ja kuvio 3b on vastaava suurennettu osakuvanto yhdestä keksinnön : mukaisesti muotoillusta hammasvälineestä 22. Tässä huomautetaan, että kuviot .·. 3a ja b eivät ole täsmällisessä mittakaavassa toistensa suhteen. Kuvion 3c ·’·’ kuvaajassa on esitetty ero tunnetun tekniikan ja keksinnön mukaisen stattoriuran T aikaansaaman vuotiheyden jakauman välillä koneen ideaalisessa tyhjäkäyntitilas- ...· sa, käyrän a) vastatessa tunnettua, eli kuvion 3a tapausta ja käyrän b) vastates- ; sa kuvion 3b mukaista rakennetta.

Kuviossa 3a esitetään siis eräs tunnetussa tekniikassa hyödynnettävä staattori-uran 21' muoto. Sillä aikaansaadun vuontiheyden jakaumaa sähköisessä ilmava- 9 113422

Iissä ls on kuvattu viivoilla 26’.

Kuviossa 3b esitetään keksinnössä hyödynnettävä staattoriuran 21 muoto. Staattoriuran 21 kummallakin sivulla on staattorilevystä 20 roottoriaukkoon 24 ulottuva hammas 22, jonka vaikutukset vuontiheyden jakaumaan ovat selkeästi havaittavissa vuota kuvaavien viivojen 26 avulla. Kuvion 3b tapauksessa voidaan ilmaväli jakaa lisäksi kuviossa esitetysti sähköiseen ilmaväliin ls roottorin ja staattorin välillä sekä lyempään fyysiseen ilmaväliin If roottorin ja hampaan kärjen välillä. Hammas 22 auttaa erityisesti siinä, ettei sähköistä ilmaväliä ls tarvitse kasvattaa suuremmaksi tasaisen vuon saamiseksi roottorin 10 kehäpin-nalle 12. Vastaava vaikutus saadaan aikaan myös kuviosta 3c poikkeavilla hammasmuodoilla, ja tässä yhteydessä olennaista onkin se, että staattoriuran laidoilla on sopivasti muotoillut hammasvälineet tasaisen vuon aikaansaamiseksi roottorin pinnalla siten, ettei sähköistä ilmaväliä tarvitse kasvattaa liiaksi.

Kuten kuvion 3c kuvaajasta voidaan havaita, on hammasmaiseksi muotoillun staattoriuravälineen (-hampaan) 22 avulla aikaansaatu vuojakauma (b) olennaisesti tasaisempi kuin mitä tunnetulla ratkaisulla (a) on saavutettu. Kuviossa 3b esitetyllä tavalla muotoilluilla urilla varustettu staattoriväline 20, ja täsmällisemmin esitettynä sen permeanssiharmoniset, eivät lämmitä roottoria 10 juuri lainkaan, ts. permeanssiharmonisten vaikutukset ovat minimoidut.

Kuviossa 4a esitetään kaaviomaisena poikkileikkauskuvantona eräs edullisena j pidetty roottorivälineen lisäsuoritusmuoto, jonka mukaisesti uraan asetettava häkkikäämivälineen aksiaalisesti ulottuva roottorisauva 15 on kiinnitetty ainoas-;; taan yhdeltä sivultaan 32 uraan 14. Kiinnitys voi edullisesti tapahtua esim. elektronisuihkuhitsauksella (EB-hitsaus) tai laserhitsauksena. Tällä ratkaisulla saavutetaan etua mm. tarvittavan hitsauksen määrän suhteen.

» * ' I ft : : Lisäksi, vaikkei se olekaan aina välttämätöntä, voi uran 14 ja osuuden 15 välille .·. olla edullista jättää kuviossa 4a esitetysti jopa pieni ilmarako 35. Ilmarako voi * » ··. edullisesti olla suuruudeltaan luokkaa 0.1-2 mm.

Erään, kuvioissa 4b ja c esitetyn vaihtoehdon mukaisesti asetetaan uraväli-, neeseen 14 sopiva ns. kaksoismetallilevy, joka voi edullisesti olla rauta-kupari levy (FeCu), kuten kuviossa 4b on esitetty. Tällainen kaksoismetallilevy, jossa eri materiaalit eli kupari ja teräs 15’ ja 15" voivat olla yhteenliitetyt esim. räjäy-tyshitsauksen avulla, on alan ammattimiehen tuntemaa ja kaupallisesti saatavilla 10 113422 olevaa. Kuvion 4b mukainen roottoriväline on erityisen helppo valmistaa, sillä tällainen levy voidaan hitsata tai muutoin liittää nuolella osoitetusta kohdin ainoastaan teräksisen osuutensa puolelta teräksiseen roottoriin. Ts. tällöin voidaan liittää kaksi olennaisen samankaltaista materiaalia olevaa tasaista liitos-pintaa toisiinsa yksinkertaisilla ja halvoilla liitosmenetelmillä. Lisäsäästöä saavutetaan mm. siinä, että vaatimukset esivalmistelujen, kuten liitospintojen tasaisuuden ja oksidoitumisasteiden, suhteen eivät ole yhtä tarkat kuin mitä tilanne on esim. kupari-rautaliitoksien suhteen.

Kuviossa 4c on esitetty pienennetyssä mittakaavassa kuvion 4b tilanne sivulta. Myös päätyrengas 18 on valmistettu vastaavasti FeCu-levystä. Tällöin voidaan päätylevyn 18 teräsosuudet edullisesti hitsata nuolella osoitusta kohden rootto-rimateriaaliin 10 ja kupariosuudet juottaa tai hitsata roottorisauvojen kupariin.

Valmistusteknisten etujen, kuten kiinnityksen helpottuminen, vähäisempi hitsaus-tarve ja nopeampi suoritus, lisäksi vain toiselta sivultaan kiinnitetyn roottorisau-vavälineen 15 avulla saadaan edelleen estettyä tangentiaalisten virtojen muodostumista, jolloinka massiiviroottorin 10 ominaisuudet muistuttavat tältä osin olennaisesti levyroottoria ja magneettipiiri ja sähköpiiri saadaan osittain erotetuksi toisistaan. Kun yleisenä tavoitteena pidetään yleisesti mm. sitä, että virta ; kulkee roottorissa 10 aksiaalisesti eli roottorisauvan 15 suuntaisesti, parantaa tällainen roottorijärjestely edelleen olennaisesti keksinnön avulla saavutettavia , ; moottoriominaisuuksia, erityisesti moottorin tehokerrointa.

* 1 · • »

Kuviossa 5a ja kuvion 5b taulukossa esitetään eräs käytetty koejärjestely, jossa testattiin keksinnön mukaista 12 kW, 300 Hz massiiviroottorista moottoria. Kuviossa 5a esitetty, katkoviivalla esitetty laitteisto on osassa testeistä korvattu moottorin 1 ja teholähteen välille sovitetulla ns. staattisella muuttajalla eli invert- * terillä 40. Tällaiset invertterivälineet ovat sinänsä tunnettuja ja kaupallisesti ·’ saatavilla olevia.

• t I · '!·1 Kuvioiden 5c ja 5d viivadiagrammit esittävät testituloksia vertailusta, jossa T verrattiin kolmea erilaista massiiviroottorirakennetta (kts. 5a ja 5b) erilaisilla tehonsyötöillä. Käytetyt roottorirakenteet olivat (käyrien numerot): sileä roottori ; ·/. (1 ja 4), uritettu roottori (2 ja 5) ja keksinnön mukaisella häkkikäämillä varus tettu roottori (3 ja 6). Roottorit vastasivat toisiaan lukuunottamatta niiden yhteyteen aikaansaatua uritusta (2 ja 4) sekä keksinnön mukaisia häkkikäämi-välineitä (3 ja 6).

„ 113422 11

Kuviossa 5c esitetään vertailu moottorin vääntömomentin ominaisuuksista kuvatun kaltaisella testimoottorilla, joka oli varustettu 300 Hz invertteri- (1-3) ja sinisyötöllä (4-6) pyörimisnopeuden vaihdellessa välillä noin 280 - 300 1/s. Kuten kuvaajasta voidaan havaita, antaa uritettu roottori (2,5) paremman vääntömomenttikäyrän vastaavalla jättämällä kuin mitä sileällä roottorilla (1,3) on saavutettavissa. Keksinnön mukaisella kuparihäkkikäämivälineellä (3,6) varustetulla moottorilla saavutettiin kuitenkin selkeästi parhaat tulokset. Nimelliset jättämät sinisyötöllä olivat sileälle roottorille 3.5 %, uritetulle 2.2 % ja häkkikäämillä varustetulle 0.3 %.

Kuvion 5d käyrät kuvaavat saavutettuja hyötysuhteita suhteessa ulosantotehoon jännitteen ollessa 400 V ja taajuuden 300 Hz. Kuten voidaan havaita, ovat eri roottoreiden hyötysuhteet likipitäen samoja aina 5 kW:n tehoon saakka. Sen jälkeen roottoreiden alhaisetkin häviöt tulevat olennaisiksi, ja keksinnön mukaisella häkkikäämiroottorilla varustetun moottorin hyötysuhteen voidaan katsoa olevan selkeästi parhaimman ja antavan myös laajimman olennaisen tasaisen tehon kummallakin syöttötavalla sekä myös suurimman tehon.

Kuviossa 6 esitetään eräs lisäsuoritusmuoto. Siinä roottorivälineeseen 10 aikaansaadut keksinnön mukaiset roottorisauvavälineet 15 ovat kallistetussa asennossa eli kulmassa suhteessa radiaaliseen suuntaan. Lisäksi urat 14 ovat edullisesti suljetut hitsaamalla kehäpinnalta 13. Esitetyn kaltainen roottorira-, ! kenne ei aiheuta permeanssiharmonisia lainkaan. Siihen saadaan mahtumaan • olennaisen suuri määrä kuparia tai vastaavaa materiaalia, jonka pysyvyys urassa 14 on erityisen hyvä mm. kallistuksesta, mutta myös päältäpäin tapahtuneesta uran sulkemisesta johtuen. Tällaista rakennetta pidetään edullisena suurissa, pääasiassa yhteen suuntaan pyörivissä moottoreissa, mutta sen hyödyntämismahdollisuudet eivät kuitenkaan rajoitu näihin, vaan sitä voidaan menestyksellä käyttää myös pienemmissä ja/tai kaksisuuntaisissa moottoreissa.

t t l ,·, Erään edullisena pidetyn, kuviossa 7 esitetyn suoritusmuodon mukaisesti ··’ moottorirakenne 1, joka käsittää keksinnön mukaisen roottorivälineen 10 sekä » sopivan staattorivälineen 20, on asetettu robottivälineen 40 tai vastaavan kolmiulotteisessa avaruudessa liikkumaan sovitetun välineen käyttölaitteeksi, 1 t kuten karamoottoriksi 1. Järjestely on tällöin edullisesti sellainen, että moottori 1 on sovitettu käyttämään eli pyörittämään robottiin 40 tai vastaavaan sovitettua työstökaraa 42 ja siten siihen yhdistettyä työstötyökalua 43 tms. pyörivää työkalua.

12 113422

Keksinnön mukainen moottorirakenne on erityisen sopiva työstökäyttöön, sillä työstökoneiden moottoreilta vaaditaan tavallisesti tasaisia ominaisuuksia, kuten tehoa ja vääntömomenttia, koko pyörimisnopeus- ja tehoalueella. Tavallisesti esim. robottien pyörivien työkalujen yhteydessä käytettävät pyörimisnopeudet vaihtelevat välillä 10000 - 20000 1/min, niiden tehontarpeen ollessa tyypillisesti luokkaa < 20 kW. Täten keksinnön mukainen, ominaispainoltaan olennaisen kevyt ja kooltaan pieni sekä pienijättämäinen moottorirakenne on erityisen sopiva nimenomaan robotti käyttöön tms. sovellutuksiin, joissa moottoria on tarvetta liikutella esim. kolmiakselisessa avaruudessa ja jossa tehontarve kasvaa nopeasti esim. silloin, kun terä painetaan äkillisesti kiinni työstettävän kappaleen pintaan.

Keksinnön avulla on siis saatu aikaan laitteisto ja menetelmä, minkä avulla saavutetaan oleellinen parannus massiiviroottoristen moottorien ominaisuuksiin, joita moottoreita voidaan soveltaa erityisen hyvin erilaisissa keskinopeita ja nopeita moottoreita vaativissa kohteissa. Keksinnön mukainen rakenne on kuitenkin kooltaan pieni ja kevyt, rakenteeltaan yksinkertainen sekä valmistus-teknisesti helppo ja niin ollen myös taloudellisesti edullinen toteuttaa, sekä toiminnaltaan luotettava.

On huomattava, että edellä esitetyt esimerkit keksinnön suoritusmuodoista eivät rajoita keksinnön patenttivaatimuksissa esitettyä suojapiiriä. Edellä olevan selityksen ja piirustuksien avulla alan ammattimiehelle on ilmeistä käyttää keksinnön mukaista menetelmää ja laitetta mitä moninaisimmissa sovellutuksissa, kuten erilaisten tuulettimien, puhaltimien ja pumppujen moottoreina, tms. erilaisia ,'·· kiinteinä ja liikutettavina käyttöinä, joista esimerkkinä ainoastaan maininittakoon ·,: erilaiset paperikoneiden käytöt ja sekä laivojen tai junien sähkömoottorit ja niin edelleen.

» • 1 « · I I I » ·

Claims (15)

113422

1. Epätahtisähkömoottorirakenne, joka käsittää staattorivälineet (20), sama-akselisesti staattorivälineiden sisälle asetetun sylinterimäisen roottorivälineen, roottorivälineen ollessa olennaisen jäykkä massiiviroottoriväline (10), jonka ulkokehän (12) yhteyteen on aikaansaatu lukuisia olennaisen aksiaalisuuntaisesti ulottuvia uravälineitä (14), sekä uravälineisiin (14) asetetun roottorivälinemateri-aalin sähkönjohtavuuskykyyn nähden sähköäjohtavampaa materiaalia olevan häkkikäämivälineen (16), tunnettu siitä, että mainitun häkkikäämivälineen (16) lukuisat olennaisen aksiaalisesti mainitun ulkokehän (12) läheisyydessä ulottuvat roottorisauvavälineet (15;15',15") ovat olennaisen kapeita suhteessa niiden korkeuteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen moottori, tunnettu siitä, että staattorivälineiden (20) roottorivälineen (10) vastaanottavan keskiöaukon (24) kehälle on aikaansaatu lukuisia muotoiltuja staattoriuravälineitä (21) ilmavälivuon ohjaamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen moottori, tunnettu siitä, että mainitut staattorivälineet sisältävät lukuisia moottorin aksiaalisuunnassa rinnakkaisesti asetettuja, toisistaan eristettyjä staattorilevyjä (20), joidenka kunkin staattori-uran (21) molemmin puolin on roottorivälinettä kohden ulottuvat ulokkeet (22), jotka ovat sovitetut ohjaamaan ilmavälivuota kohti roottorivälinettä siten, että ·.: roottorivälineen (10) koko ulkokehälle (12) saadaan oleellisen sinimuotoinen ·,; vuojakauma (26).

* « :·. 4. Jonkin edelläolevista patenttivaatimuksista mukainen moottorirakenne, tun nettu siitä, että häkkikäämivälineen (16) roottorisauvavälineistä (15) ainakin osa on kiinnitetty vain toiselta sivultaan (32) roottorivälineen (10) vastaanotta-van uran (14) sivupintaan (31) roottorisauvavälineen (15) toisen sivupinnan (34) ^ ’ ollessa kiinnittämätön.

5. Jonkin edelläolevista patenttivaatimuksista mukainen moottorirakenne, tun nettu siitä, että roottorivälineen uraan asetettava roottorisauvaväline (15) ;;* käsittää ainakin kaksi osuutta (15',15”), joista yksi osuus (15') on roottorivälinettä sähköäjohtavampaa materiaalia ja yksi osuus (15”) on olennaisesti roottori-välinemateriaalin kaltaista materiaalia. 14 113422

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen moottorirakenne, tunnettu siitä, että roottorisauvavälineen (15) mainitun kiinnittämättömän sivupinnan (34) ja roottorivälineen (10) vastaanottavan uran vastaavan sivupinnan (33) välillä on ilmarako (35).

7. Jonkin edelläolevista patenttivaatimuksista mukainen moottorirakenne, tunnettu siitä, että mainitut roottorisauvavälineet (15) ovat asetettuina radiaali-seen suuntaan nähden kallistetussa asennossa mainitun roottorivälineen (10) vastaavasti kallistetuissa urissa (14).

8. Jonkin edelläolevista patenttivaatimuksista mukainen moottorirakenne, tunnettu siitä, että roottorisauvavälineet (15) ulottuvat kulmassa aksiaalisuun-taan nähden roottorivälineen (10) kehällä (12).

9. Jonkin edelläolevista patenttivaatimuksista mukainen moottorirakenne, tunnettu siitä, että järjestely lisäksi käsittää teholähteen ja moottorin (1) välille sovitetun staattisen taajuuden muuttaja- eli invertterivälineen (40).

10. Jonkin edelläolevista patenttivaatimuksista mukainen moottorirakenne, tunnettu siitä, että oikosulkurengas (18) roottorivälineen (10) päädyssä käsittää ... ainakin kaksi eri materiaalista muodostettua osuutta.

11. Menetelmä epätahtisähkömoottorin parantamiseksi, jossa menetelmässä staattorivälineiden sisälle pyöritettäväsi asennetun massiiviroottorivälineen resis- ‘ ’ tiivisyyttä pienennetään roottorivälineeseen aikaansaadun häkkikäämivälineen i.: avulla, tunnettu siitä, että menetelmä edelleen käsittää roottorivälineen (10) permeanssiharmonisten vaikutuksen pienentämisen aikaansaamalla roottorivälineeseen sovitettujen häkkikäämivälineiden (16) roottorisauvavälineet (15) muodoltaan sellaisiksi, että ilmavälivuon jakauma on olennaisesti sinimuodon kaltaisen tiheäaskelisen porraskäyrän muotoinen.

... 12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se \ . lisäksi käsittää vaiheena ilmavälivuon edelleen ohjaamisen aikaansaamalla staattorivälineiden (20) uravälineisiin (21) sopivasti muotoiltu, hammasmainen muoto ;(22) siten, että vuonjakauma (26) on oleellisen sinimuotoinen koko roottoriväli-neen kehän (12) ympäri. 1K 113422

13. Patenttivaatimuksen 11 tai 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää sähkö- ja magneettipiirin erottamisen olennaisesti toisistaan aikaansaamalla epäjatkuvuuskohdan mainittujen aksiaalisesti ulottuvien osuuksien (16) ainakin yhden sivun (34) ja roottorivälineen (10) uran (14) yhden sivun (33) välille.

14. Jonkin patenttivaatimuksista 1-10 mukaisen laitteen tai patenttivaatimuksien 11-13 mukaisen menetelmän käyttö, tunnettu siitä, että sitä sovelletaan työstökonekäytössä (40) pyörivien työkalujen (42) pyörityksessä.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen käyttö, tunnettu siitä, että sitä sovelletaan robotin (40) tai vastaavan kolmiakselisessa avaruudessa liikkumaan sovitetun työstölaitteen karamoottorina. 113422