FI119458B

FI119458B - Järjestely sähkökoneen jäähdyttämiseksi

Info

Publication number: FI119458B
Application number: FI20060800A
Authority: FI
Inventors: Jouni Ikaeheimo; Alpo Hauru
Original assignee: Abb Oy
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2006-09-07
Publication date: 2008-11-14
Also published as: EP2059996A4; WO2008028996A1; FI20060800A0; FI20060800A; EP2059996A1

Description

i 119458

JÄRJESTELY SÄHKÖKONEEN JÄÄHDYTTÄMISEKSI

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen järjestelyyn sähkökoneen jäähdyttämiseksi.

Sähkökone kehittää toimiessaan lämpöä, joka tulee siirtää koneesta pois. Eräs yleisesti 5 käytetty jäähdytystäpä on ilmajäähdytys, jossa koneen akselille sovitetaan tuuletin, jolla puhalletaan ilmaa sähkökoneen läpi. Tarvittaessa jäähdytysilma ohjataan erityisillä il-manohjaimilla niihin kohteisiin, joiden jäähdytystänne on suurin. Tällaisia kohteita ovat esimerkiksi kääminpäät. Jos ulkoilman läpivirtaus ei ole riittävä, tehostetaan jäähdytystä lämmönvaihtimilla, jolloin jäähdyttävää ilmaa viilennetään. Jäähdytysilman ja sähköko-10 neen jäähdytettävien osien välinen lämpötilaero suurenee tällöin, mikä tehostaa jäähdytystä.

Yksinkertaisin ratkaisu on suoraan sähkökoneen akselille kytketty puhallin, joka pyörii samalla nopeudella kuin itse sähkökone. Nopeussäädetyissä käytöissä putoaa puhaltimen nopeus samalla kuin koneen pyörimisnopeus, mistä on seurauksena jäähdytystehon piene-15 neminen nimellisnopeutta pienemmillä nopeuksilla. Samalla kuitenkin jäähdytystehon tarve voi säilyä ennallaan tai jopa kasvaa säätämättömään nopeuteen verrattuna. Hitaasti pyörivissä ja raskaasti kuormitetuissa sähkökoneissa, ei koneen käyttöakselille suoraan kytketty tuuletin ole riittävä ratkaisu edes nimellisnopeudella ja nimelliskuormituksella • · · *...· toimittaessa. Jotta koneen toimintalämpötila saadaan pysymään asetetuissa rajoissa, on • · · *... * 20 kehitettävä lisäj äähdytystä esimerkiksi lämmönvaihtimilla tai erillisillä tuulettimilla.

• · • · · • · · * · ;***; Murtovakokäämityksellä varustetut kestomagneettimoottorit ovat edullisia sähkömootto- • * · : reita sovelluksissa, joissa vaaditaan hidasta pyörimisnopeutta. Myös näiden hitaiden moot- toreiden jäähdytykseen tarvittava sisäinen ilmankierto heikkenee, kun pyörimisnopeus pienenee. On ehdotettu ratkaisuja, joissa sähkökoneeseen järjestetään toinen tuuletinta pyörit-ϊ.ί.ϊ 25 tävä roottori, joka on koaksiaalinen käyttöakselin kanssa ja jonka pyörimisnopeus on suu- • 41 rempi kuin käyttöakselin. Tällä nostetaan jäähdytysilman virtausnopeutta ja siten tehoste- ;*·*; taan jäähdytystä.

• · * • · • · *1* Esimerkiksi patenttijulkaisusta GB 948013 tunnetaan ratkaisu, jossa hyödynnetään oi- * · • · : '* kosulkumoottorin jättämänopeutta. Julkaisussa osaa roottorin oikosulkusauvoista käytetään • · *···* 30 tuuletinmoottorin ’’staattorina”. Tuulettimen roottori on tuettu laakereiden avulla käyttöak selin roottoriin ja siten tuuletin voi pyöriä eri nopeudella kuin käyttöakseli.

2 119458

Julkaisu GB 2139011 ehdottaa epätahtikoneeseen ratkaisua, jossa käyttöakselin toinen pää on tuettu tuuletinmoottorin laakereiden välityksellä sähkökoneen toiseen päätylevyyn. Käyttömoottoria ohjataan laajalla nopeusalueella kun taas tuuletinmoottorin nopeus vaihte-lee suhteellisen vähän.

5 Tunnetun tekniikan mukaan tuuletinta pyörittävän roottorin nopeus on suurempi kuin varsinaisen käyttömoottorin. Tämä aikaansaadaan joko säätämällä tai konstruoimalla tuuletinta pyörittävä moottori eri tavalla kuin käyttömoottori. Käytännössä tällaiset järjestelyt vaativat aina ylimääräisiä osia, kuten lisälaakerointia ja -käämityksiä sekä ylimääräistä tilantarvetta.

10 Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada edullinen ja tehokas ilmajäähdytys sähkökoneelle, jossa käyttökoneena toimivan sähkökoneen akselin kanssa samalle akselille järjestetään tuuletinta käyttävä moottori. Tämän toteuttamiseksi keksinnön mukainen järjestely sähkökoneen jäähdyttämiseksi tunnetaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosan mukaisista ominaispiirteistä. Keksinnön eräille erityisille suoritusmuodoille ovat tunnusomaisia epäit-15 senäisissä patenttivaatimuksissa määritetyt ominaispiirteet.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla sähkökoneen jäähdytysvälineet muodostavat sähkökoneen kanssa yhtenäisen ja kompaktin rakenteen. Verrattuna perusratkaisuun, jossa tuuletin ... on kytketty suoraan sähkökoneen käyttöakselille, ei esillä olevassa ratkaisussa tarvita kuin • · IV.' tuuletinta pyörittävä apuroottori ja sen laakerointi sähkökoneen käyttöakselille. Pituus- * · .•I·, 20 suunnassa tuuletin vie saman tilan kuin edellä mainittu perusratkaisu. Samalla keksinnön • · · ,···, mukainen ratkaisu tuottaa riittävän jäähdytystehon sovelluksiin, joissa aiemmin on tarvittu • · • φ · . .·. käyttömoottorin ulkopuolisia jäähdytinratkaisuja.

• · « »·* ··« • · *···* Keksintöä kuvataan seuraavassa yksityiskohtaisesti sen erään suoritusmuodon avulla viita- • , ten piirustuksiin, joissa • · • « · • » #·· 25 - kuvio 1 esittää erästä keksinnön mukaista sähkökonetta, • * • ♦ · • · · l.‘. - kuvio 2 esittää erään keksinnön mukaisen koneen poikkileikkausta käyttöroottorin kohdalla ·· • · • ·· - kuvio 3 esittää erään keksinnön mukaisen koneen poikkileikkausta apuroottorin kohdalla.

3 119458

Keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen sähkökoneen halkileikkauskuva on esitetty kuviossa 1. Sähkökoneen runkorakenne 2 ympäröi staattorin 4 levypakkaa, joka on valmistettu magneettisesti johtavista levyistä. Staattoriin on muodostettu urat joihin käämitykset sovitetaan. Käämien vyyhdenpäät 14 ulkonevat staattorin kummastakin päästä levypakan 5 ulkopuolelle. Sähkökoneen päädyissä on laakerikilvet 12, jotka on kiinnitetty staattorin runkorakenteeseen 2. Laakerikilpien 12 keskelle on sovitettu laakerit 10, jotka tukevat sähkökoneen käyttöakselia 8, joka on tunnetulla tavalla liitetty sähkökoneen käyttämään työkoneeseen. Staattorin 4 sisäpuolelle on käyttöakselille 8 kiinnitetty sähkökoneen roottori 6, joka tässä suoritusmuodossa on valmistettu rautasydämestä, jonka pinnalle on sovitettu 10 sähkökonetta magnetoivat kestomagneetit. Sähkökone on hitaan pyörimisnopeuden moottori, jossa on suuri napaluku ja murtovakokäämitys, kuten myöhemmin tarkemmin kuvataan.

Sähkökoneen roottorin oikealle puolelle kuviossa 1 on sovitettu apuroottori 16, joka pyörittää siihen suoraan kiinnitettyä tuuletinta 20. Apuroottori 16 on tuettu akselille 8 laake-15 reillä 18 ja on siten pyörivä sekä staattorin 4 että sähkökoneen roottoriin 6 suhteen. Tuuletin 20 ohjaa jäähdytysilmaa vyyhdenpäille 14 ja staattoriin 4 sekä roottoriin 6 kuten on tunnettua sähkökoneiden ilmajäähdytyksen yhteydessä. Sähkökoneen roottorin vasemmalle puolelle kuviossa 2 on asennettu toinen apuroottori 16’ ja siihen yhdistetty toinen tuuletin 20’. Toinen apuroottori 16’ on myös laakeroitu akselille 8 laakerilla 18’ ja toinen tuuletin lt 20 20’ toimii siten olennaisesti samalla tavalla kuin sähkökoneen toiseen päähän asennettu • · · tuuletin 20. Verrattuna roottoriin 6 apuroottorit 16 ja 16’ ovat huomattavasti lyhyempiä • · V.: aksiaalisuunnassa. Apuroottori 16 voi olla rakenteeltaan samanlainen kuin roottori 6, joi- • · · loin se on valmistettu rautasydämestä, esimerkiksi valurautasydämestä, jonka ulkopinnalle •.:. · on liimattu kestomagneetit. Apuroottorit voivat olla ulkomuodoltaan kiekkomaisia.

• · · • · • · • · · 25 Sähkökone on liitetty joko suoraan verkkoon, jolloin syöttötaajuus on yleisesti 50 Hz, tai ; ; *: ohj atussa käytössä taaj uusmuuttaj an kautta, jolioin syöttötaajuus vaihtelee säätöalueella.

• t· : * * *; S ähkökoneen staattorikäämitykseen syötetty vaihtovirta generoi sähkökoneeseen magneet- • · · .···. tikentän, jonka taajuus vastaa jännitteen syöttötaajuutta. Tämä päämagneettivuo sulkeutuu • · · * ,···. staattorin, koneen ilmavälin ja roottorin kautta ja sen avulla tuotetaan koneen käyttöteho.

• · · 30 Vaihtosähkökoneen pyörimisnopeus määräytyy tunnetusti koneen napapariluvun mukaan.

• · • ·» *... Kun kaksinapaisen moottorin pyörimisnopeus 50 Hertzin syöttötaajuudella on 3000 kier- • * rosta minuutissa, on esimerkiksi 30-napaisen moottorin nopeus samalla taajuudella vain 200 kierrosta minuutissa.

4 119458

Hitaassa käytössä eräs edullinen ratkaisu on ns. pienen vakoluvun (vakoluku q<l) kesto-magneettimoottori. Moottorin käämitys on yksinkertainen ja roottoriin on helppo tehdä vastaava suuri napaluku, esim. liimaamalla magneetteja umpirautaisen roottorin pinnalle. Staattorikäämitys on valmistettu ns. murtovakokäämityksenä, jossa urien lukumäärä vai-5 hetta ja napaa kohti on murtoluku.. Esimerkkinä pienen vakoluvun murtovakokäämitykses-tä voidaan esittää sähkökone, jonka napaluku 2p=34, vaiheluku m=3 ja staattoriurien lukumäärä Ql=36. Tällöin vakoluku q = Ql/(2*p*m) = 36/(34*3) = 6/17. Pääkenttä on 34-napainen, ja 50 Hz:n syöttötaajuudella se pyörii 176 1/min. Murtovakokäämitys generoi pääkentän lisäksi useita aliharmonisia kenttiä, jotka myös sulkeutuvat staattorin ja roottorin 10 magneettipiirien kautta. Erityisesti 34-napainen pääkenttä generoi magneettikenttiä, jotka ovat 2-, 4-, 6-ja 8-napaisia. Kun käyttöroottorin akselille on laakeroitu apuroottori, jonka napaluku on esimerkiksi 2, aiheuttaa päävuon vastaava aliharmoninen komponentti vään-tömomentin apuroottoriin ja pyörittää sitä 3000 1/min. Apuroottoriin kiinnitetyn sisätuulet-timen kehänopeus kasvaa riittävän suureksi, jotta se riittää jäähdyttämään sähkökonetta.

15 Kaksinapainen apuroottori on edullinen, koska pyörimisnopeus on suurin. Toisaalta myös muut sähkökoneen kenttää nopeammin pyörivät aliharmoniset kentät ovat käytettävissä keksinnönmukaisella tavalla, koska niiden pyörittämä tuulettimeen kiinnitetty apuroottori pyörii käyttöroottoria nopeammin. (Aliharmonisten kenttien suuruus ja voimakkuus on konekohtainen ominaisuus ja sen vuoksi tulee kussakin sovelluksessa erikseen määrittää, mi- : 20 kä on apuroottorin käyttökelpoisin napaluku. Vastaavasti apuroottorin pyörimisnopeus • · · :>m: vaikuttaa tuulettimen j a koneen sisäisiin ilmanohjaimiin, niiden sijoituksiin ja muotoiluihin · V, ϊ sekä ilmanottoaukkoihin).

· · • · • · • · · , Kuviossa 1 on apuroottori tai lisäroottori asennettu molemmille puolille sähkökoneen käyt- • · * .**·. töroottoria. Jäähdytysilman ohjaus sähkökoneen sisällä toteutetaan sen mukaisesti, mikä on * · 25 sähkökoneen mitoitettu jäähdytystänne. Siten sähkökoneessa voi olla sovelluskohtaisesti • :*: yksi tai kaksi tuuletinta. Tuulettimien ilmavirta voidaan ohjata sisään molemmista päistä ja • « :***: ulos sähkökoneen keskeltä. Tai vastakkaisiin päihin asennetuilla tuulettimilla jäähdytysil- • · · mavirta voidaan ohjata sisään toisesta päästäjä ulos toisesta ja sähkökoneen sisällä jäähdy- • · · ,···. tysilma ohjataan eniten lämpöä kehittäviin kohteisiin. Jäähdytysilman ohjaus voidaan to- M· ,.* 30 teuttaa sinänsä tunnetuilla tavoilla, kuten sisäisillä jäähdytyskanavilla.

* *·· • · · *...· Kuvioissa 2 ja 3 on havainnollistettu keksinnön mukaisen ratkaisun toimintaa sähköko neessa, joka on magnetoitu kestomagneeteilla ja jossa puhallinta pyörittävä apuroottori on 5 119458 myös magnetoitu kestomagneeteilla. Soveltuvin osin on kuvioissa 2 ja 3 käytetty samoja viitenumerotta kuin kuviossa 1. Kuviossa 2 on kuvattu 34-napaisen sähkökoneen poikkileikkauksen puolikas akselin suunnassa koneen staattorin 4 ja roottorin 6 kohdalta. Esityksen selvyyden vuoksi poikkileikkauksessa ei ole kuvattu staattorin käämiuria ja hampaita.

5 Roottorin ulkopinnalle, so. ilmavälin 22 puoleiselle pinnalle on kiinnitetty kestomagneetteja 26 ja 28, joita kuvion 2 toteutusmuodossa on 34 kappaletta. Kestomagneetit 26 on magnetoitu siten, että roottorin ulkokehällä vuorotellen on ilmaväliin 22 päin kestomagneetin 26 S-napa ja kestomagneetin 28 N-napa. Staattorin käämityksen (ei esitetty kuviossa 2) indusoimaa päämagneettikenttää on kuvattu vuoviivoilla 24, jotka sulkeutuvat staattorin 4 10 ja roottorin 6 kautta. Vuot sulkeutuvat vierekkäisten vasta- ja myötäpäivään napojen kautta, jolloin vuon kulkusuunta on vuoviivojen 24 nuolien mukainen. Syöttötaajuuden ollessa 50 Hz on tämän 34-napaisen koneen pyörimisnopeus noin 176 kierrosta minuutissa.

Kuviossa 3 on kuvattu poikkileikkaus apuroottorin 16 kohdalta. Apuroottorin ulkopinnalle, siis ilmavälin 22 puoleiselle kehäpinnalle on kiinnitetty kestomagneetti 30. Apuroottori 15 16 on laakerilla 10 tuettu pyörivästi akselille 8. Sähkökoneen staattorikäämityksen (ei esi tetty kuviossa 3) indusoima aliharmoninen magneettikenttä, jonka napaluku on kaksi, sulkeutuu vuoviivojen 32 mukaisesti staattorin 4 selän ja apuroottorin 16 selän sekä ilmavälin ja kestomagneetin 30 kautta. Kestomagneettia 30 vastaavasti apuroottorin toiselle kehäpuo-liskolle on asennettu vastakkaissuuntainen kestomagneetti. Vaikka kuviossa 3 kestomag-:[**: 20 neetti on esitetty yhdestä kappaleesta muodostettuna, voi se koostua useasta roottorin ulko- : t ((: kehän suunnassa rinnakkaisesta kestomagneettikappaleesta, jotka on magnetoitu samaan • a ϊ,ϊ,ϊ suuntaan. Kuviossa 3 apuroottori on muodostettu kaksinapaisena, mutta yhtä hyvin apu- • · · roottorin voi olla neljä-, kuusi- tai kahdeksannapainen kuvion 2 34-napaisen koneen yhtey-dessä. Samoin voi apuroottorin napaluku olla mikä tahansa, mikä vastaa varsinaisen säh- • · · *... * 25 kömoottorin magneettikentän aliharmonista kenttää.

• :*; Keksintöä on edellä kuvattu sen erään suoritusmuodon avulla. Esitystä ei ole kuitenkaan • · a ·***: katsottava patentin suojapiiriä rajoittavana, vaan keksinnön toteutus voi vaihdella seuraa- • · · ,···, vien patenttivaatimusten määrittämissä rajoissa.

• · · a a a a a · a a aa· • • a • a a aa ;···. 30 a a a a a

Claims

6 119458

1. Järjestely sähkökoneen jäähdyttämiseksi, johon sähkökone käsittää staattorin (4), jonka sähkökoneen napaluku on olennaisen suuri ja jonka roottori (6) on kiinnitetty sähkökoneen käyttöakseliin (8), jolloin sähkökoneeseen indusoidaan staattoriin ja roottoriin vai- 5 kuttava päämagneettikenttä, ja jonka koneen roottorin (6) kanssa samalle akselille (8) olennaisesti koneen staattorin (4) sisäpuolelle on sovitettu apuroottori (16,16’), joka on järjestetty pyörimään sähkökoneen staattorin (4) ja käyttöakselin (8) suhteen ja jonka napaluku on olennaisesti pienempi kuin sähkökoneen napaluku, tunnettu siitä, että sähkökoneen staattoriin (6) on järjestetty vaikuttamaan ainakin yksi staattorikäämityksen indusoima ali-10 harmoninen magneettikenttä, joka on järjestetty vaikuttamaan ainakin apuroottoriin (16,16’), jolloin aliharmoninen magneettikenttä on sovitettu pyörittämään apuroottoria (16,16’) ja sille järjestettyä puhallinta (20).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että sähkökoneen vakolu-ku q on pienempi kuin yksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että sähkökoneen na paluku on suurempi kuin 20 ja apuroottorin napaluku on korkeintaan 8.

:***: 4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että sähkökö- · · neen napaluku on 34 ja apuroottorin napaluku on korkeintaan 8. • · • · · • · ·

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen jäijestely, tunnettu siitä, että apuroottori • · • · · . , ·. 20 (16) on sovitettu ja laakeroitu käyttöakselin (8) ensimmäiseen päähän. * · · • · · • · · * · *···1

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että sähköko neeseen järjestetty kaksi apuroottoria (16,16’), jotka on sovitettu käyttöakselin (8) ensim- * · ·..[1 maiseen ja toiseen päähän.

• · • · ·«· : 7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että sähkökone • · 25 on magnetoitu kestomagneeteilla (26,28). • ·· V

· 8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että sähkökö- 1 neen apuroottori (16,16’) on magnetoitu kestomagneeteilla (30). 7 119458