FI121645B - Menetelmä sähkökoneen rungon valmistamiseksi, sähkökone ja sähkökoneen runko - Google Patents

Description

MENETELMÄ SÄHKÖKONEEN RUNGON VALMISTAMISEKSI, SÄHKÖKONE JA SÄHKÖKONEEN RUNKO

Keksinnön kohde 5

Keksinnön kohteena on menetelmä sähkökoneen rungon valmistamiseksi. Lisäksi keksintö kohdistuu sähkökoneeseen ja sähkökoneen runkoon.

10 Keksinnön taustaa

Tyypillisesti sähkökoneen runko muodostetaan valetuista metalliosista. Valuosien valmistamiseen vaaditaan valumuotteja sekä metallivalimo. Valut ovat sinänsä edullisia, mutta muotti-, varastointi- ja logistiikkakus-15 tannukset nostavat merkittävästi kokonaiskustannuksia. Suurehkojen alkukustannusten takia valuosien käyttö on edullista suurien sarjojen yhteydessä. Pienten sarjojen tekemiseksi muulla tavoin kuin valuosia käyttäen on pyritty löytämään edullisempia ratkaisuja. Eräs menetelmä on valmistaa sähkökoneen runko sopivista metalliaihioista hitsaamalla. 20 Yleisesti nykyisin käytettävät hitsausmenetelmät ovat kuitenkin vaativia ja aiheuttavat helposti tuotteeseen mittavirheitä ja jännitteitä, jonka takia valmistuksessa tarvitaan jatkotyöstämistä.

Onkin olemassa tarve löytää parempi ratkaisu valmistaa yksittäisiä 25 sähkökoneiden runkoja.

o δ ^ Keksinnön lyhyt yhteenveto C\l δ Nyt on keksitty ratkaisu, joka mahdollistaa sähkökoneiden runkojen g 30 valmistamisen kustannustehokkaasti pienilläkin tuotantosarjoilla.

CL

$ Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle , ..... .... .......

§ le on paaasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisessä pa- ° tenttivaatimuksessa 1. Keksinnön mukaiselle sähkökoneelle on puoles- 35 taan pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 5. Keksinnön mukaiselle sähkökoneen rungolle on 2 puolestaan pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty itsenäisessä patenttivaatimuksessa 11. Muissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty eräitä keksinnön edullisia suoritusmuotoja.

5 Valmistusmenetelmän eräs perusajatus on se, että leikatut ja osin taivutetut osat hitsataan staattorin ympärille ja lopuksi tarvittaessa koneistetaan vain ohjaukset ja kiinnitysreiät. Tällä menetelmällä voidaan valmistaa piensarjoja kohtuullisen edullisesti ja voidaan välttää valuosat.

10 Keksinnön perusajatuksen mukaisessa menetelmässä muodostetaan ohutlevystä staattorin ympärille ensimmäinen vaippa, joka liitetään staattoriin laserhitsauksella, sekä jäähdytyselementti, joka liitetään ensimmäiseen vaippaan laserhitsauksella.

15 Eräässä suoritusmuodossa ohutlevystä muodostetaan toinen vaippa, joka liitetään jäähdytyselementtiin laserhitsauksella.

Eräässä suoritusmuodossa jäähdytyselementti muodostetaan ohutlevystä poimuttamalla.

20

Eräässä suoritusmuodossa runkoon muodostetaan lisäksi etulaippa ja etulaipan yhteyteen muodostetaan laakeripesä, johon laakeri on sovitettavissa rungon sisäpuolelta.

25 Eräässä suoritusmuodossa sähkökone käsittää ainakin rungon, run-2 koon liitetyn staattorin, akselin, akseliin liitetyn roottorin ja rungon etu- ™ laipan, johon on sovitettu laakeripesä akselin tukemiseen käytettävän v laakerin sijoittamista varten. Laakeripesä on sovitettu etulaippaan siten, cu että laakeri on sijoitettavissa laakeripesään rungon sisäpuolelta.

I 30

Eräässä sähkökoneen suoritusmuodossa runko käsittää ohutlevystä $ muodostetun ensimmäisen vaipan, joka on liitetty staattoriin laser in § hitsauksella, ja ohutlevystä muodostetun jäähdytyselementin, joka on cu liitetty ensimmäiseen vaippaan laserhitsauksella.

35

Eräässä suoritusmuodossa roottori on kestomagnetoitu.

3

Eräässä sovelluksessa hitsaamiseen käytetään hitsausrobottia.

Nyt esitetyn ratkaisun eri suoritusmuodot erikseen ja eritavoin yhdistet-5 tyinä tarjoavat erilaisia etuja. Eräs merkittävä etu on se, ettei valmistuksessa tarvita muotteja, jolloin tuotannon sopeuttaminen erilaisille koneille on helppo ja pienten tuotantosarjojen tekeminen on mahdollista.

10 Erään sovelluksen etuna on se, että sähkökoneen valmistuksessa tarvittava koneistustyön määrä vähenee tunnettuihin ratkaisuihin nähden. Parhaimmillaan koneistukset voidaan välttää kokonaan.

Edellisistä eduista seuraa myös se, ettei tuotannossa tarvita välivaras-15 toja, joita tunnetuissa ratkaisuissa tarvitaan valumuoteille tai työvaiheista toisiin siirtyville tuotteille.

Erään sähkökonesovelluksen merkittävä etu on puolestaan se, että sähkökoneen laakeri voidaan vaihtaa koneen rungon sisäpuolelta eli 20 koneen takapäästä. Tällöin kone voi olla etulaipastaan kiinni muissa rakenteissa. Täten huoltoja korjaus helpottuu ja nopeutuu.

Piirustusten kuvaus 25 Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viittaamalla oheisiin pe-2 riaatteellisiin kuviin, joissa

(M

v kuva 1 esittää erästä sähkömoottorin suoritusmuotoa

CU

g 30 kuva 2 esittää kuvan 1 mukaista suoritusmuotoa poikkileikkauksena

CL

co kuva 3 esittää kuvan 2 mukaista suoritusmuotoa perspektiivikuvana tn oo o cu kuva 4 esittää erästä toista sähkömoottorin suoritusmuotoa poikki- 35 leikattuna perspektiivikuvana 4 kuva 5 esittää erästä kolmatta sähkömoottorin suoritusmuotoa poikki-leikattuna perspektiivikuvana kuva 6 esittää erästä sähkömoottorin rungon suoritusmuotoa per-5 spektiivikuvana kuva 7 esittää kuvan 6 suoritusmuotoa akselilinjaan nähden kohtisuorassa tasossa poikkileikattuna 10 kuva 8 esittää suurennettuna kuvan 7 yksityiskohtaa kuva 9 esittää kuvan 6 suoritusmuotoa poikkileikattuna akselilinjan suuntaisesti 15 Piirustuksissa on esitetty selvyyden vuoksi vain keksinnön ymmärtämisen kannalta tarpeelliset yksityiskohdat. Keksinnön ymmärtämisen kannalta tarpeettomat, mutta ammattimiehelle selvät rakenteet ja yksityiskohdat on jätetty kuvista pois keksinnön ominaispiirteiden korostamiseksi.

20

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Kuvat 1-3 esittävät erästä sähkökoneen suoritusmuotoa. Esimerkissä sähkömoottori 1 on kytketty samanakselisesti pumppuun 2. Kytkentä 25 on suoritettu sähkömoottorin 1 etulaipan 3 puoleisesta päästä, eli säh-2 kömoottorin etupäästä. Kuvissa 2 ja 3 on esitetty pumpun 2 pesä 4 se- ™ kä juoksupyörä 5. Esimerkissä juoksupyörä 5 on kytketty sähkömootto- v rin 1 kanssa yhteiseen akseliin 6 ja sopivimmin akselin päähän.

CU

£ 30 Sähkömoottori 1 käsittää akselin 6, roottorin 7, staattorin 8 sekä rungon 9. Akseli 6 ja roottori 7 on liitetty toisiinsa ja niiden yhdistelmä on sovi- $ tettu pyörimään akselin akselilinjan X (pyörimisakselin) ympäri. Esi in § merkissä roottori 7 on kestomagnetoitu. Roottori 7 voidaan kiinnittää cu akseliin 6 usealla eri tavalla. Liittämiseen voidaan esimerkiksi käyttää 35 erilaisia kytköksiä, joiden kiinnityspisteet sijoittuvat akselin 6 ja roottorin 7 väliseen tilaan. Kytkösten käyttäminen mahdollistaa edullisesti akse- 5

Iin 6 ja roottorin 7 vapauttamisen toisistaan ja jommankumman osan poistamisen ilman että molempia osia on pakko poistaa. Esimerkiksi akselin 6 huollon yhteydessä on edullista jättää roottori 7 paikoilleen ja poistaa vain akseli koneesta.

5

Akseli 6 on tuettu sähkömoottorin runkoon 9 laakereilla 10, jotka sijaitsevat laakeripesässä 11 sähkömoottorin 1 etulaipan 3 läheisyydessä. Esimerkin mukaisissa koneissa laakeripesä 11 on muodostettu siten, että akseli 6 ja laakerit 10 on sovitettavissa laakeripesään moottorin 10 takapään 12 suunnasta. Sopivimmin laakerit 10 voidaan vaihtaa ilman, että sähkömoottorin 1 etulaippaa 3 tarvitsee irrottaa. Esitetyssä sovelluksessa ei myöskään tarvita akselin 6 tukemiseen koneen takapäässä 12 olevaa laakeria. Lisäksi esitetyssä edullisessa sovelluksessa laakerointi on yhteinen sekä moottorille 1 että pumpulle 2. Sähkömoottorin 1 15 runko 9 vastaa edullisesti pumpun 2 perän ja/tai laakeripesän 11 tuen-nasta. Pumpun 2 ja moottorin 1 yhteisten laakereiden 10 ansiosta myös laakerihäviöt pienevät ja rakenne yksinkertaistuu.

Roottori 7 voidaan muotoilla usealla eri tavalla, jolloin voidaan vaikuttaa 20 sähkökoneen 1 akselisuuntaiseen pituuteen. Kuvien 1-3 mukaisessa ratkaisussa on pyritty mahdollisimman lyhyeen sähkökoneen kokoon. Kuvissa 4 ja 5 on esitetty kaksi muuta edullista sovellusta, joissa roottori 7 on muotoiltu kuvien 1-3 esittämästä ratkaisusta poikkeavalla tavalla. Siirtämällä roottoria 7 kauemmaksi laakeripesästä 11, saadaan 25 enemmän tilaa esimerkiksi laakerien 10 voitelujärjestelyjä varten. Root-° tori 7 voi olla joissain sovelluksissa myös erilainen, kuten esimerkiksi ™ umpinainen rakenne tai se voi käsittää häkkikäämityksen tai uria.

C\l ^ Kuvien 1-5 mukaisissa ratkaisuissa sähkökone 1 on mahdollista avata g 30 takapäästä 12 esimerkiksi huoltoa tai korjausta varten. Tuuletinsuojan 13 ja takakannen 14 poistamisen jälkeen on mahdollista tavoittaa roots' tori 7 sähkökoneen 1 takapäässä 12 olevan aukon kautta. Roottorin 7 g rakenteesta riippuen on mahdollista joko poistaa koko roottori 7 tai va- ° pauttaa roottorin ja akselin 6 välinen kytkös. Tämän jälkeen on mahdol- 35 lista poistaa akseli 6, laakerit 10 ja/tai tiivisteet sähkökoneen takapään 12 kautta. Tämä mahdollistaa sähkökoneen 1 ns. kuluvien osien huol- 6 tamisen ja/tai vaihtamisen ilman, että esimerkiksi sähkömoottorin ja pumpun 2 välistä kytkentää tarvitsee irrottaa. Täten huolto on helpompaa ja nopeampaa kuin perinteisissä sähkökoneissa, joissa kytkentä joudutaan purkamaan usein huollon aloituksen yhteydessä. Vastaavas-5 ti huollon päättyessä joudutaan akselilinja X linjaamaan. Esimerkkinä on käytetty laitteistoa, jossa sähkökone 1 on yhdistetty pumppuun 2. Sähkökone 1 voidaan myös liittää muihin laitteisiin, kuten esimerkiksi puhaltimeen, kuljettimeen, työkoneeseen. Perusajatuksena on kytkeä sähkökoneen 1 akselin 6 pää ja edullisesti myös etulaippa 3 toiseen 10 laitteeseen. Edullisessa sovelluksessa laakerointi 10 on yhteinen sekä moottorille 1 että siihen liitetyllä laitteelle, kuten esimeriksi pumpulle 2. Edellä esitetyn rakenteen ansiosta sähkökoneen 1 ja toisen laitteen 2 välistä kytkentää ei tarvitse irrottaa esimerkiksi laakerien huollon tai korjauksen vuoksi.

15

Edellä esitetty sähkömoottori 1 on mahdollista muodostaa usealla eri tavalla. Esimerkiksi runkorakenteina 9 voidaan käyttää valettuja metalliosia. Seuraavaksi esitetään eräs edullinen menetelmä sähkömoottorin rungon 9 muodostamiseksi.

20

Menetelmä perustuu ohutlevyjen käyttöön, joiden paksuus konekoon ja käyttötarkoituksen mukaan vaihtelee. Ohutlevyjen liitoksiin on edullista käyttää laserhitsausta, jolloin muodostuva hitsaussauma on hallittavissa eikä hitsi vedä. Lisäksi laserhitsaus mahdollistaa ensimmäisen ma-25 teriaalin yhdistämisen toiseen materiaaliin jommankumman materiaali-2 kerroksen läpi hitsaamalla. Tällöin ei tarvita hitsausta varten aukkoja ™ levyihin. Menetelmässä voidaan käyttää hitsausrobottia. Erilaisten ko- v neiden tekeminen onnistuu samalla robotilla muuttamalla ohjelman ja cu työkalujen asetuksia, jolloin tuotantolinja mahdollistaa erilaisten konei- ϊ 30 den valmistamisen helposti.

CL

co Menetelmässä staattorin 8 levypaketin päälle asennetaan ohutlevyren-

LO

§ gas 91. Ohutlevyrengas 91 voidaan asentaa joko yhtenä tai useampa- cu na kappaleena siten, että siitä syntyy putki eli ensimmäinen vaippa 91.

35 Ensimmäinen vaippa 91 kiinnitetään laserhitsauksella staattorin 8 selkään. Sopivimmin hitsaus suoritetaan ensimmäisen vaipan 91 pinnan 7 läpi, jolloin ensimmäisen vaipan 91 ja staattorin 8 selän väliin muodostuu hitsausliitos. Sopivimmin hitsaus suoritetaan yhtenä tai useampana vannemaisena kehänä, jotka kiertävät akselilinjan X.

5 Ensimmäisen vaipan 91 päätyihin hitsataan edullisesti laipat 92. Laipat 92 tukevat ja jäykistävät rakennetta. Laipat 92 voidaan muodostaa eri tavoin, kuten esimerkiksi leikkaamalla laserilla ohutlevystä sopiva kappale. Myös tässä kohdassa hitsausmenetelmänä on edullisesti laser-hitsaus, jolloin hitsaus voidaan tehdä putken seinämän 91 läpi laippaan 10 92 ja samalla voidaan hallita muodostuva hitsaussauma.

Ensimmäisen vaipan 91 päälle kiinnitetään ohutlevystä taivutettu jääh-dytyslevy 93. Esimerkissä jäähdytyslevyn 93 taivutukset ovat oleellisesti U-mallisia, mutta taivutukset voivat olla myös muunlaisia. Esimer-15 kiksi taivutus voi olla enemmän V-mallinen, ja on myös mahdollista yhdistää erilaisia taivutuksia samaan jäähdytyslevyyn 93. Jäähdytyslevyn 93 muodostamat jäähdytysrivat ovat edullisesti oleellisesti sähkökoneen akselin suuntaisia. Jäädytyslevy 93 hitsataan laserilla ensimmäiseen vaippaan 91 kiinni. Sopivimmin hitsaus suoritetaan jäähdytysle- 20 vyn 93 pinnan läpi, jolloin jäähdytyslevyn 93 ja ensimmäisen vaipan 91 väliin muodostuu hitsausliitos. Hitsaus suoritetaan edullisesti jokaisen poimun pohjasta oleellisesti akselilinjan X suuntaisesti. Valmiissa rakenteessa jäähdytyslevy 93 toimii edullisesti sähkökoneen rungon 9 osana.

25 2 Eräässä sovelluksessa jäähdytyslevyn 93 päälle sovitetaan toinen ^ ohutlevyvaippa 94. Sopivimmin toinen ohutlevyvaippa 94 kiinnitetään v lasermenetelmällä. Sopivimmin hitsaus suoritetaan toisen vaipan 94 cu pinnan läpi, jolloin toisen vaipan 94 ja jäähdytyslevyn 93 väliin muodos- ϊ 30 tuu hitsausliitos. Samalla putki 91, jäähdytyslevy 93 ja vaippa 94 muo dostavat jäykän ja lujan kennorakenteen. Toinen vaippa 94 toimii esi-$ merkiksi sähkökoneen 1 suojakuorena, estäen esimerkiksi jäähdytys- m § rakenteen likaantumisen.

o

(M

35 Valmiissa sähkökoneessa 1 jäähdytyslevyn 93 ja vaippojen 91,94 välisiin jäähdytyskennon kanaviin ohjataan väliainevirtaus, jolla sähkökö- 8 neen lämpötila pidetään sallituissa rajoissa. Esimerkiksi väliaine voi olla ilmaa tai muuta kaasua, mutta myös nestettä voidaan käyttää mikäli rakenne on tehty riittävän tiiviiksi. Eräässä sovelluksessa jäähdytykseen käytetään ilmaa, jonka virtaus saadaan aikaan sähkökoneen 1 5 päähän sijoitetulla puhaltimella (ei esitetty kuvissa) tai akselin 6 päähän sijoitetulla tuuletinsiivellä (ei esitetty kuvissa).

Edellä esitettyä sähkökoneen 1 valmistusmenetelmää voidaan käyttää myös erilaisten sähkökoneiden valmistamiseksi kuin esimerkissä on 10 esitetty. Esimerkiksi sähkökone 1 voi olla sähkömoottori tai generaattori. Myös sähkökoneen 1 teho voi vaihdella, mutta menetelmän on suunniteltu olevan edullinen esimerkiksi teholtaan 10-1000 kW:n koneiden valmistuksessa.

15 Keksinnön edellä esitettyjen eri suoritusmuotojen yhteydessä esitettyjä toimintatapoja ja rakenteita eri tavoin yhdistelemällä voidaan aikaansaada erilaisia keksinnön suoritusmuotoja, jotka ovat keksinnön hengen mukaisia. Tämän vuoksi edellä esitettyjä esimerkkejä ei tule tulkita keksintöä rajoittavasti, vaan keksinnön suoritusmuodot voivat vapaasti 20 vaihdella jäljempänä patenttivaatimuksissa esitettyjen keksinnöllisten piirteiden puitteissa.

o δ

(M

(M

δ

X

en

CL

δ co m oo o o

(M

Claims (12)

1. Menetelmä sähkökoneen (1) rungon (9) tekemiseksi, jossa menetelmässä 5. muodostetaan staattori (8), muodostetaan staattorin (8) ympärille ensimmäinen vaippa (91), muodostetaan ohutlevystä jäähdytyselementti (93), joka liitetään ensimmäiseen vaippaan (91) ensimmäinen vaippa (91) muodostetaan ohutlevystä ja se liite-10 tään staattoriin (8), ohutlevystä muodostetaan toinen vaippa (94), joka liitetään jääh-dytyselementtiin (93), tunnettu siitä, että lisäksi ensimmäisen vaipan (91) päätyihin hitsataan laipat (92) sähkö-15 koneen rungon (9) tukemiseksi ja jäykistämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdytyselementti (93) muodostetaan ohutlevystä poimuttamalla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensimmäinen vaippa (91) ja toinen vaippa (94) liitetään jäähdy-tyselementtiin (93) laserhitsauksella.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnet-25 tu siitä, että runkoon (9) muodostetaan lisäksi etulaippa (3) ja etulaipan 2 yhteyteen muodostetaan laakeripesä (11), johon on sovitettavissa laa- ™ keri (10) rungon sisäpuolelta, ja että etulaippaan (3) nähden vastakkai- v nen rungon (9) takapää (12) jätetään ilman laakerointia. CU £ 30

5. Sähkökone, joka käsittää ainakin rungon (9), runkoon liitetyn staatto rin (8), akselin (6), akseliin liitetyn roottorin (7) ja lisäksi sähkökone kä-$ sittää staattoria (8) ympäröivän ensimmäisen vaipan (91), ja ensimmäi- m § seen vaippaan (91) liitetyn jäähdytyselementin (93), jäähdytyselement- cu tiin (93) liitetyn toisen vaipan (94), ja lisäksi ensimmäinen vaippa (91), 35 toinen vaippa (94) sekä jäähdytyselementti (93) on muodostettu ohut-levystä, tunnettu siitä, että sähkökone käsittää lisäksi ensimmäisen vaipan (91) päätyihin hitsatut laipat (92) sähkökoneen rungon (9) tukemiseksi ja jäykistämiseksi.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen sähkökone, tunnettu siitä, että en-5 simmäinen vaippa (91) ja toinen vaippa (94) on liitetty jäähdytysele- menttiin (93) laserhitsauksella.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen sähkökone, tunnettu siitä, että sähkökone käsittää rungon (9) etulaipan (3), johon on sovitettu 10 laakeripesä (11) akselin (6) tukemiseen käytettävien laakereiden (10) sijoittamista varten, ja laakeripesä (11) on sovitettu etulaippaan (3) siten, että laakerit (10) on sijoitettavissa laakeripesään rungon (9) sisäpuolelta, ja että etulaippaan (3) nähden vastakkainen rungon (9) taka-pää (12) on ilman laakerointia. 15

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 5-7 mukainen sähkökone, tunnettu siitä, että roottori (7) on kestomagnetoitu.

9. Laitteisto, joka käsittää jonkin edellisen patenttivaatimuksen 5-8. 20 mukaisen sähkökoneen (1).

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteisto käsittää pumpun (2), joka on liitetty sähkökoneen (1) etulaippaan (3) ja akseliin (6). 25 2

11. Sähkökoneen runko (9), joka käsittää ainakin staattorin (8), staatto- ^ ria ympäröivän ensimmäisen vaipan (91), ja ensimmäiseen vaippaan v (91) liitetyn jäähdytyselementin (93), jäähdytyselementtiin (93) liitetyn cvi toisen vaipan (94), ja lisäksi ensimmäinen vaippa (91), toinen vaippa g 30 (94) sekä jäähdytyselementti (93) on muodostettu ohutlevystä, tunnet tu siitä, että sähkökoneen runko (9) käsittää lisäksi ensimmäisen vai-$ pan (91) päätyihin hitsatut laipat (92) sähkökoneen rungon (9) tukemi- LO § seksi ja jäykistämiseksi. o CM

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen sähkökoneen runko, tunnettu siitä, että ensimmäinen vaippa (91) ja toinen vaippa (94) on liitetty jäähdytyselementtiin (93) laserhitsauksella. o δ (M (M δ X en CL δ co m oo o o (M