FI121291B - Kestomagneettimoduuli ja moduulin käsittävä sähkökoneen roottori - Google Patents

Description

KESTOMAGNEETTIMODUULI JA MODUULIN KÄSITTÄVÄ SÄHKÖKONEEN ROOTTORI

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen kestomagneettimo-duuliin. Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 10 johdanto-osan mukainen 5 kestomagneeteilla magnetoitu sähkökoneen roottori.

Sähkökoneiden roottoreissa, erityisesti tahtikoneiden roottoreissa on enenevässä määrin alettu käyttää tehokkaita kestomagneetteja, jotka perustuvat harvinaisia maametalleja kuten neodyymia sisältäviin yhdisteisiin. Suuritehoisissa tahtikoneissa näiden voimakkaiden kestomagneettien käyttö on levinnyt useille uusille sovellusaloille, joissa on usein hyvin suuret 10 vaatimukset ja vaikeat ympäristöolosuhteet. Yhteisenä piirteenä harvinaisiin maametallei- hin perustuville kestomagneeteille on hauras rakenne ja korroosioalttius varsinkin käyttöympäristössä, jossa kosteus ja lämpötila vaihtelee.

Suuritehoisten sähkökoneiden jäähdytys järjestetään muodostamalla staattorin ja roottorin läpi kulkevia j äähdytysainekanavia. Eräs ratkaisu kestomagnetoidun koneen roottorin jääh-15 dyttämiseksi on radiaaliset ilmasolat, jotka ulottuvat roottorin sisäosista roottorin ulkokehälle. Ilmasolat ovat roottorisydämen muodostavien levypakettien välissä ja katkaisevat näin roottorin akselin suunnassa roottorin sähkömagneettisesti aktiivisen rungon osiin. Suuria sähkökoneita valmistetaan siten, että staattorin ja/tai roottorin levypakat on muodostettu moduuleista, joita asetetaan akselin suunnassa peräkkäin sähkökonetta valmistet-20 taessa, jolloin levypakettimoduulien väliin voi jäädä pieni välys. Kestomagneeteilla mag-netoiduissa roottoreissa kestomagneetit asennetaan vain roottorin levypakettien kohdalle, koska vain niiden kautta kulkeva magneettivuo osallistuu tehokkaasti koneen toimintaan. Kun koneen magnetointiin käytetään roottoriin sisään upotettuja kestomagneetteja on kes-tomagneettikappaleet työnnettävä roottorin päästä paikalleen ja samalla on huolehdittava 25 siitä, että kestomagneetit ovat levypaketin kohdalla eivätkä jäähdytyssolien tai muiden välien kohdalla.

Julkaisusta JP2001-16808 tunnetaan ratkaisu, jossa useita kestomagneettipaloja pakataan yhteen koteloon, jossa on myös jäädytyssolan kohdalla kestomagneetit erottava välikappale. Tällöin kestomagneetit tulevat kyllä täsmällisesti roottorin rautasydämen kohdalle, mut-30 ta asennettava kestomagneettimoduuli tukkii samalla radiaalisen jäähdytyssolan.

2

Roottorirakenteeseen upotettavia kestomagneetteja asennettaessa tulee kestomagneetit olla suojattuja myös mekaanista kulumista vastaan, sillä kestomagneetteja varten muodostettujen aukkojen reunat eivät ole välttämättä tasaisia eikä niitä ole mahdollista tasoittaa järkevällä ja taloudellisella tavalla. Normaali kestomagneettipalan pinnoite, kuten ohut hartsi-5 kerros ei ole riittävä ja pieni naarmu pinnoitteessa voi johtaa korroosio vaurioon ja sitä kautta kestomagneetin vioittumiseen.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena aikaansaada uusi kestomagneettimoduuli, joka soveltuu käytettäväksi erityisesti sähkökoneen roottorissa, jossa kestomagneetit on upotettu roottorisydämen sisään. Tämän aikaansaamiseksi keksinnön mukainen kestomagneettimo-10 duuli tunnetaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosan ominaispiirteistä. Vastaavasti keksinnön mukainen sähkökoneen roottori tunnetaan patenttivaatimuksen 10 tunnusmerkkiosan ominaispiirteistä. Edelleen keksinnön eräät edulliset suoritusmuodot tunnetaan epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa määritellyistä tunnusmerkeistä.

Esillä olevalla keksinnöllä saavutetaan useita merkittäviä etuja ja parannuksia aiemmin 15 tunnettuihin ratkaisuihin verrattuna. Kestomagneettien käsittely asennusvaiheessa on help poa ja turvallista ilman vaaraa kestomagneettien pinnan tai rakenteen vahingoittamisesta. Kestomagneettimoduulit on mahdollista vaihtaa asennusaukon kautta vetämällä moduuli ulos.

Kestomagneetit on tuettu magnetointisuuntaansa kohtisuorissa suunnissa. Kestomagneetti-20 palat eivät pääse liikkumaan sivu- tai pituussuunnassaan eli sähkökoneen roottorin akselin suunnassa tai sähkökoneen roottorin kehän suunnassa moduulin kuoriin muodostettujen taitosten tai kohoumien ansiosta.

Kun kyseessä on radiaalisilla jäähdytyssolilla varustettu sähkökone, keksinnön mukaiseen moduuliin integroidun kiinnitysrakenteen ansiosta kestomagneetit kohdistuvat oikein suh-25 teessä jäähdytyssoliin. Tarvittava asennusvälys on helppo aikaansaada moduulin kuorirakenteella muotoilemalla ulkopinta sopivasti.

Erään edullisen piirteen mukaisesti moduulirakenteen ylä- ja alapinta on ferromagneettista materiaalia, jolloin sähkökonetta magnetoiva vuo kulkee suoraan kestomagneetista kohti ilmaväliä ja vastaavasti roottorin sisäsydäntä.

3

Keksinnön erään toisen edullisen suoritusmuodon mukaisesti moduuli on rakenteeltaan puoliavoin, jolloin kestomagneetin reunoilla ei ole magneettisesti johtavaa ainetta eikä ha-javuo voi sulkeutua kestomagneettien päiden yli kestomagneetin yhdestä navasta vastakkaiseen napaan. Siten kestomagneetin luoma magnetointiteho on mahdollisimman suuri.

5 Erään edullisen suoritusmuodon mukaan moduulin kuoren ylä- ja alapintaan on muodostettu aukkoja. Tällä tavalla vähennetään pyörrevirtahäviöitä moduulissa.

Seuraavassa kuvataan keksinnön eräitä toteutusmuotoja yksityiskohtaisesti viitaten piirustuksiin, joissa - kuvio 1 esittää osaa keksinnönmukaisesta moduulista perspektiivikuvana, 10 - kuvio 2 esittää erästä keksinnönmukaista moduulia perspektiivikuvana, - kuvio 3 esittää osittaista akselin suuntaista leikkauskuvaa keksinnönmukaisesta roottorista, - kuvio 4 esittää kohtisuoraan akselia vastaan otettua leikkausta A - A kuviosta 3, - kuvio 5 esittää eräitä vaihtoehtoisia moduulirakenteita perspektiivikuvana ja 15 - kuvio 6 esittää eräitä vaihtoehtoisia moduulin kuori- ja magneettirakenteita perspek tiivikuvana.

Kuvio 1 esittää perspektiivikuvaa eräästä keksinnönmukaisesta moduulista 2, täsmällisemmin yhdestä moduulin kuoresta 3, johon on asetettu kolme kestomagneettipalaa 6. Moduulin kuori 3 on valmistettu ohuesta ferromagneettisesta levystä. Moduulin kuoreen 3 20 muodostettu viisi tasaista kiinnityspintaa 4, joiden suuruus vastaa kestomagneettipalan 6 päällystason tai alatason 20 suuruutta. Kiinnityspinnat 4 rajoittuvat moduulin reunoilla si-vutaitoksiin 8 ja 10, jotka on muodostettu taivuttamalla kuoren 3 sivureunat kohtisuoraan kiinnityspintaan 4 nähden. Vastaavasti kuoren 3 päätyreunassa on päätytaitokset 12, jotka rajaavat moduulin äärimmäisen kiinnityspinnan 4 päätyreunan. Vastaavanlaiset välitaitok-25 set 13 on muodostettu vastakkaiselle puolelle äärimmäistä kiinnityspintaa ja jokaisen välissä olevien kiinnityspintoj en 4 väleihin. Kahden vierekkäisen kiinnityspinnan 4 välissä on siten kaksi välitaitosta 13, jotka raj aavat vierekkäiset kiinnityspinnat 4 moduulin pituussuunnassa. Kestomagneettipalat on siten tuettu päätypinnoilta 22 joko välitaitoksella 13 tai 4 päätytaitoksella 12. Peräkkäisten välitaitosten 13 väliin on muodostettu aukot 14 , jotka edullisesti tehdään leikkaamalla kuoren muodostava levyjä taittamalla reunat kohtisuoraan kiinnityspintaan 4 nähden.

Moduulin 2 kuoren 3 rakenteella jäijestetään kestomagneettipaloille 6 täsmälliset, asemoi-5 dut paikat, joissa kestomagneettipalat 6 on tuettu liikkumattomasti sivu- ja pituussuunnassaan. Kestomagneettipalojen väleihin jää aukot 14, jotka myöhemmin kuvattavalla tavalla ovat roottorin radiaalisten solien kohdalla. Kiinnityspintoihin 4 levitetään liimaa, kiinni-tyshartsia tai vastaava, kuten keskimmäisen kiinnityspinnan ristikkokuviolla 7 on havainnollistettu.

10 Moduuli valmistetaan liimaamalla kestomagneettipalat 6 moduulin kuoren 3 kiinnityspintoihin 4 ja sen jälkeen kestomagneettien 6 päälle liimataan toinen kuori 3, joka muodostaa moduulin yläpinnan 26 kuvion 2 kuvaamalla tavalla. Kestomagneettipalat on edullisesti pintakäsitelty epoximaalilla ennen liimaamista. Ne kestomagneettien pinnat, jotka eivät ole moduulin kuorta 3 vasten ovat suojattu epoximaalilla ympäristön kosteutta ja muita kor-15 roosiota aiheuttavia epäpuhtauksia vastaan. Ferromagneettinen kuori suojaa kestomagneetit ylä- ja alapuolelta asennuksen, kuljetuksen ja varastoinnin aikana. Lisäksi moduulin kuorien 3 sivutaitokset 8 ja 10 suojaavat kestomagneettipalojen sivupinnat 24 ulkoisilta kolhuilta ja vaurioilta. Moduulin alakuoren 3 sivutaitoksen 8 ja moduulin yläkuoren 26 sivutaitok-sen 28 väliin jää kestomagneettien sivupinnan 24 kohdalla moduulin molemmilla sivuilla 20 rako 30, jonka ansiosta kestomagneetin synnyttämä vuo ei voi sulkeutua ensimmäisestä navasta toiseen napaan ferromagneettisen kuoren kautta. Kuvioiden 1 ja 2 esittämässä suoritusmuodossa sivutaitosten 8, 10 ja 28 reunat ovat hieman aaltoilevia siten, että kestomagneettipalojen 6 kohdalla taitokset ovat hieman matalampia kuin aukkojen 14 kohdalla. Ha-javuo kestomagneetin navasta toiseen on siten tehokkaasti ehkäistyjä toisaalta moduulin 25 mekaaninen rakenne on aukon 14 kohdalla vahvistettu, mikä pitkien, useita magneetteja käsittävän moduulin kyseessä ollessa voi muodostua merkittäväksi. Sivutaitosten reuna voi olla myös suora, jolloin sen korkeus määritetään siten, että se toteuttaa riittävän hyvin molemmat edellä mainitut vaatimukset.

Erään keksinnön suoritusmuodon mukaan kestomagneettipala 6 on ensin fosfatoitu ja sen 30 jälkeen liimattu moduulin ylä- ja alakuoriin 3 ja 26. Valmiiksi kasattu moduuli on sitten 5 kokonaisena maalattu esimerkiksi upottamalla. Keksinnön ajatuksen puitteissa myös muut tunnetut kestomagneetin pintakäsittelytavat ja -aineet ovat mahdollisia.

Kestomagneettimoduulin 2 kummassakin päässä on päätytaitosten 12 ansiosta tyhjä alue, jonka määrittävät sivutaitosten 8, 10 ja 28 päät 32 ja jonka pituus on puolet kestomagneet-5 tien välisestä aukosta 14. Asennettaessa useita moduuleita roottorin akselin suunnassa peräkkäin, muodostuu kahden vierekkäisen moduulin väliin aukon 14 suuruinen tyhjä alue, joka myös asemoituu yhden roottorin radiaalisolan kohdalle. Kun kyseessä on roottorin akselin suunnassa laitimmainen moduulin pääty, muodostavat sivutaitosten päät 32 etäisyyden roottorin päätylevystä ja toimivat roottorin akselin suuntaisina tukieliminä.

10 Kuvio 3 esittää osittaista poikkileikkausta keksinnönmukaisesta kahdeksannapaisen tahti-koneen roottorista 34. Kuvio 4 esittää leikkausta A - A kuviossa 3. Roottorisydän 38, joka on sovitettu akselille 36, on valmistettu magneettisesti johtavista levyistä. Roottori muodostuu viidestä akselin suunnassa peräkkäisestä levypakasta, joita erottaa levypakkojen välissä oleva radiaalinen ilmasola 40, jonka kautta kulkee roottoria jäähdyttävä ilma rootto-15 rin säteen suunnassa kohti roottorin ulkokehää sinänsä tunnetulla tavalla. Roottorisydämes- sä on akselin suuntaiset aukot 42 rakenteen keventämiseksi ja jäähdytysilman johtamiseksi roottorin läpi. Roottoriin ulkokehälle on muodostettu roottorin navat, joissa on kaksi le-vysydämeen sisään upotettua kestomagneettimoduulia 2 rinnakkain. Kestomagneettimo-duulit on sovitettu roottorin pituusakselin suuntaisiin roottorin pituisiin aukkoihin 43. 20 Kumpikin moduuli 2 on kuvioissa 2 kuvatun mukainen. Roottorin kehän suunnassa moduulien välissä on kapea levysydänkaista 44 ja samoin kummankin moduulin ja navan reunan välissä levysydänkaista 46. Levysydänkaistat 44 ja 46 tukevat roottorin navan ulointa osaaja kestomagneettimoduuleja keskipakovoimia vastaan.

Kestomagneettimoduulit asennetaan paikalleen työntämällä ne roottorin päästä aukkoihin 25 43. Moduulin 2 pää 32 vastaa roottorin toisessa päässä olevaan roottorin päätylevyyn 48, jolloin kestomagneettipalat 6 asemoituvat roottorisydämen 38 kohdalle ja moduulissa 2 olevat aukot 14 asemoituvat radiaalisten solien 40 kohdalle. Aukot 43 suljetaan kiinnittämällä roottorin toinen päätylevy (ei esitetty kuvassa) paikalleen. Päätylevyt peittävät aukon 43 roottorin molemmista päistä ja lukitsevat kestomagneettimoduulit aksiaalisuunnassa. 30 Aukko 43 voidaan sulkea myös erillisellä sulkulevyllä siitä päästä, josta kestomagneettimoduulit työnnetään paikalleen, jolloin roottorin molemmat päätylevyt ovat paikallaan 6 kestomagneettimoduuleja asennettaessa. Moduulien 2 sovittaminen aukkoihin 43 edellyttää aina välystä moduulin ja aukon seinämien välillä, minkä vuoksi moduulit voidaan liimata paikalleen hartsilla kuten alan tekniikassa on sinänsä tunnettua.

Kuviossa 5 on kuvattu eräitä vaihtoehtoisia keksinnönmukaisia ratkaisuja. Kestomagneet-5 timoduulin kuori 50 on muodostettu ferromagneettisesta levystä, jonka reunat on taivutettu moduulin sivureunoiksi 58. Sivureunat 58 ovat koko moduulin pituudelta tasaisia, mutta korkeudeltaan sellaisia, että alemman kuoren 50 ja ylemmän kuoren (ei näytetty) sivureu-nojen väliin jää rako. Kestomagneetteja varten kuoressa on tasopinta 64, joka on rajattu kestomagneettipalojen erottamiseksi taitoksilla tai kohoumilla 54 kestomagneettipalojen 10 välissä j a vastaavasti taitoksilla tai kohoumilla 52 moduulin päissä. Kestomagneettipala 60 vastaa muodoltaan kuvioissa 1 ja 2 esitettyä kestomagneettia ja se on liimattu yläpinnaltaan 20 moduulin kuoren päällysosaan ja alapinnaltaan kuoren pohjaosaan 50 tasopinnalle 64. Tässä tapauksessa kestomagneettien väliin jää kapea rako, jonka määrää kohouman 54 leveys.

15 Kestomagneettipalat 61 on muodostettu siten, että niiden ylä- ja alapintoihin on tehty pienet viisteet 56, jotka vastaava kohoumia 52 ja 54. Näin vierekkäiset kestomagneettipalat ovat päätypinnoiltaan kiinni toisissaan. Moduulin pohjaan ja kanteen on tehty myös moduulin pituussuuntaiset kohoumat 68, jotka ulkonevat vastakkaiselle puolelle kestomagneetteja. Nämä muodostavat edullisesti liuku- ja asemointipinnat moduulia roottoriin pai-20 kalleen sovitettaessa.

Kuviossa 6 on esitetty vaihtoehtoisia moduulin kuorirakenteita, joilla vaikutetaan kuoren magneettisiin ominaisuuksiin ja jotka erityisesti vähentävät pyörrevirtahäviöitä moduulissa sekä erilaisia kestomagneettiyhdistelmiä. Kuviossa 6 on kuvattu moduulin kuori kuten kuviossa 1 ja samoista osista on kuviossa 6 käytetty samoja viitenumerolta kuin kuviossa 1 ja 25 siinä on aukot 14, jotka erottavat vierekkäiset kestomagneettilohkot toisistaan. Ensimmäinen magneettilohko koostuu kahdesta yhtä suuresta kestomagneettipalasta 70, jotka on kiinni toisissaan ja sovitettu kuoren ensimmäiseen kiinnityspintaan. Toinen magneettilohko on muodostettu kolmesta eri suuresta kestomagneettikappaleesta 72, 74 ja 76, jotka on liimattu vierekkäin toiseen kiinnityspintaan. Kolme muuta kiinnityspintaa 78, 80 ja 82 ha-30 vainnollistavat erilaisia moduulin kuoren rakenteita. Kuoren kiinnityspintaan 78 on muodostettu reikiä 84 koko pinnan alueelle. Kiinnityspinnassa 80 on moduulin pituussuuntaan 7 nähden poikittaiset aukot 86, jotka ovat olennaisesti kiinnityspintaan sovitettavien kesto-magneettikappaleiden pituisia. Aukkojen 86 leveys on samaa luokkaa kuin kuoren muodostavan levyn paksuus. Kiinnityspintaan 82 on muodostettu moduulin pituussuuntaiset aukot 88, joiden pituus vastaa olennaisesti kestomagneettikappaleiden leveyttä ja jotka 5 myös ovat olennaisesti kuoren paksuuden levyisiä. Rekillä 84 ja pitkänomaisilla aukoilla 86 ja 88 vähennetään pyörrevirtahäviöitä moduulissa.

Kuviossa 6 on havainnollistettu erilaisia rakenneratkaisuja yhden moduulin eri osissa. On kuitenkin ymmärrettävä, että kutakin näytettyä rakenneratkaisua yleensä käytetään yhden moduuliin kaikissa osissa.

10 Kestomagneettimoduulin kuoriosa voidaan varustaa napaisuusmerkinnöillä, jolloin magneettien suunta koneessa on helppo varmistaa. Kestomagneettien asemat voidaan kohdistaa tyssäämällä vierekkäisten kestomagneettien väliin pieni kohouma moduulin kuoreen. Näin voidaan edullisesti varmistaa kestomagneetin paikka silloin, kun on moduulissa on useita lähes toisissaan kiinni olevia kestomagneettipaloja kuten koneessa, jossa ei ole radiaalisia 15 solia tai koneessa, jossa radiaalisten solien etäisyys vastaa vaikkapa kahta tai kolmea kes-tomagneettipalaa.

Keksintöä on edellä kuvattu sen eräiden suoritusmuotojen avulla. Esitystä ei ole kuitenkaan katsottava rajoittavaksi, vaan keksinnön toteutusmuodot voivat vaihdella seuraavien patenttivaatimusten määrittämissä rajoissa.

Claims (12)

1. Kestomagneettimoduuli (2), joka käsittää ainakin kaksi kestomagneettikappaletta (6), joilla on ensimmäinen magneettinapa ensimmäisellä tasopinnalla (20) ja toinen magneettinapa toisella tasopinnalla, sekä ainakin osittain kestomagneettikappaleita (6) ympäröivän 5 kuoren (3,26), tunnettu siitä, että kuori (3,26) on magneettisesti johtava ja käsittää yläpinnan (26), joka peittää olennaisesti kestomagneettikappaleen ensimmäisen tasopinnan (20), sekä alapinnan (3), joka peittää olennaisesti kestomagneettikappaleen toisen tasopinnan ja että kuori (3,26) on ainakin osittain avoin kestomagneettikappaleiden (6) sivupinnoilta (24), jolloin kuoren alapinnan (3) sivutaitoksen (8) ja kuoren yläpinnan (26) sivutaitoksen 10 (28) väliin jää rako (30) kestomagneettien sivupinnan (24) kohdalla moduulin molemmilla sivuilla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kestomagneettikappa-leet (6) ovat välimatkan päässä toisistaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kukin kestomagneetti-15 kappale (60,61) on olennaisen lähellä vierekkäistä kestomagneettikappaletta (60,61).

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen moduuli, tunnettu siitä, että moduulin kuoren yläpinta (26) ja alapinta (3) ovat symmetrisiä.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen moduuli, tunnettu siitä, että moduulissa (2) on välineet (8,28), jotka kiinnittävät kestomagneettikappaleet (6) moduulin sivusuun- 20 nassa.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen moduuli, tunnettu siitä, että kestomagneettikappaleet kiinnittävät välineet (8,28) on muodostettu kuoren reunoille tehdyistä taitoksista.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen moduuli, tunnettu siitä, että kuoren ylä- (26) ja alapintoihin (3) on järjestetty aukot (14) kestomagneettipalojen (6) väliselle alueelle.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1 - 7 mukainen moduuli, tunnettu siitä, että moduulissa (2;52) on välineet (12,13;52,54), jotka kiinnittävät kestomagneettikappaleet (6) moduulin pituussuunnassa.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen moduuli, tunnettu siitä, että moduulin kuoren ala- (3) ja yläpinnalla (26) on reikiä (84) tai aukkoja (86,88).

10. Sähkökoneen roottori, joka on magnetoitu upotetuilla kestomagneeteilla (6), joka roottori käsittää akselin (36) ja sille sovitetun magneettisesti johtavista levyistä muodostetun 5 roottoripakan (38), johon on järjestetty akselin suuntaisia aukkoja (43), joihin kestomagneetit (6) on sovitettavissa roottorin päästä, tunnettu siitä, että kestomagneetit (6) on sovitettu moduuliin (2), jossa on magneettisesti johtava kuori (3,26), joka peittää ainakin kes-tomagneettipalan napapinnat (20) ja on ainakin osittain avoin kestomagneettipalan sivupinnalta (24), jolloin kuoren alapinnan (3) sivutaitoksen (8) ja kuoren yläpinnan (26) sivu-10 taitoksen (28) väliin jää rako (30) kestomagneettien sivupinnan (24) kohdalla moduulin molemmilla sivuilla.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että roottorissa on radiaa-liset jäähdytys solat (40) ja että moduulissa on aukot (14) solien (40) kohdalla.

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että moduulissa (2) 15 on välineet (12,13) kestomagneettien (6) tukemiseksi roottorin akselin suunnassa ja välineet (8,26) kestomagneettien (6) tukemiseksi roottorin kehän suunnassa.